换能器及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种换能器及其制造方法。


背景技术：

2.超音波换能器包括块材压电陶瓷换能器、电容式微机械超音波换能器及压电式微机械超音波换能器。近几年，许多厂商及研究单位纷纷投入电容式微机械超音波换能器的开发。此技术利用半导体工艺，可使超音波换能器的体积微小化，相较于传统的块材压电材料，更易整合至各种产品上。
3.电容式微机械超音波换能器包括下电极、位于下电极上方的振荡膜以及位于振荡膜上的上电极，其中下电极与振荡膜之间具有一空腔。下电极与上电极之间的电场可使振荡膜在空腔中摆动，因此，便可发出超音波。
4.目前制作空腔其中一种方式是：先在基板上形成多个牺牲区域，再形成振荡膜，以包覆多个牺牲区域；之后，令蚀刻液从振荡膜的多个贯孔进入，以接触多个牺牲区域，进而完全去除多个牺牲区域，并形成多个空腔。然而，为将牺牲区域完全去除以形成多个空腔，至少须在每一牺牲区域的两侧设置多个贯孔，且相邻两牺牲区域之间至少设有一个贯孔。多个贯孔的设置须占用不少面积，排挤了能设置空腔的总面积，造成空腔的总面积再提升。空腔总面积无法再提升时，换能器的声压及频宽也不易再提高。


技术实现要素：

5.本发明提供一种换能器，性能佳。
6.本发明的换能器包括基板、设置于基板上的下电极、设置于下电极上的绝缘层、设置于绝缘层上的牺牲图案、设置于牺牲图案上的振荡膜。振荡膜具有多个贯孔。在换能器的俯视图中，振荡膜的多个贯孔分别位于牺牲图案的不同的多侧。多个上电极设置于振荡膜上。封装层包括多个封止部。多个封止部分别设置于振荡膜的多个贯孔中，且延伸至绝缘层。振荡膜、封装层的多个封止部、牺牲图案及绝缘层定义多个子空腔，且牺牲图案分隔多个子空腔。
7.本发明的换能器的制造方法包括：于基板上形成第一导电层，其中第一导电层包括下电极；于第一导电层上形成绝缘层；于绝缘层上形成牺牲材料层，其中牺牲材料层包括设置于上电极上的牺牲区域；形成振荡材料膜，以包覆牺牲材料层；于振荡材料膜上形成第二导电层，其中第二导电层包括多个上电极；于振荡材料膜中形成多个贯孔，以使振荡材料膜形成振荡膜，其中多个贯孔分别暴露牺牲区域的多处；令蚀刻液进入多个贯孔，以去除对应多个贯孔的牺牲区域的多处，并残留牺牲区域的内部，其中残留的牺牲区域的内部称为牺牲图案；于振荡膜上形成封装层，其中封装层包括多个封止部，多个封止部分别设置于振荡膜的多个贯孔中且延伸至绝缘层，振荡膜、封装层的多个封止部、牺牲图案及绝缘层定义多个子空腔，且牺牲图案分隔多个子空腔。
8.在本发明的一实施例中，在上述的换能器的俯视图中，多个上电极分别位于牺牲
图案的不同的多侧。
9.在本发明的一实施例中，在上述的换能器的俯视图中，虚拟直线通过振荡膜的多个贯孔，一方向实质上平行于虚拟直线，且牺牲图案在所述方向上的宽度随着远离虚拟直线而增加。
10.在本发明的一实施例中，上述的牺牲图案具有相对的顶面及底面，且牺牲图案的顶面及底面分别直接地接触于振荡膜及绝缘层。
11.在本发明的一实施例中，上述的牺牲图案具有连接振荡膜与绝缘层的侧面，且侧面包括曲面。
12.在本发明的一实施例中，母空腔包括上述的多个子空腔及牺牲图案；在换能器的俯视图中，母空腔大致上呈菱形。
13.在本发明的一实施例中，上述的牺牲图案的不同的多侧包括互不相同的第一侧、第二侧、第三侧及第四侧，第一侧与第二侧相对，且第三侧与第四侧相对。上述的多个子空腔包括分别位于牺牲图案的第一侧、第二侧、第三侧及第四侧的第一子空腔、第二子空腔、第三子空腔及第四子空腔。
附图说明
14.图1a至图1h为本发明一实施例的换能器的制造流程的剖面示意图。
15.图2为本发明一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。
16.图3为本发明另一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。
17.图4为本发明另一实施例的换能器的剖面示意图。
18.图5为本发明又一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。
19.图6为本发明又一实施例的换能器的剖面示意图。
20.图7为本发明又一实施例的换能器的剖面示意图。
21.附图标记说明：
22.10、10a、10b：换能器
23.110：基板
24.120：第一导电层
25.122：下电极
26.130：绝缘层
27.140’：牺牲材料层
28.142’：牺牲区域
29.142
’‑
1：多处
30.142
’‑
2：内部
31.142：牺牲图案
32.142a：顶面
33.142b：底面
34.142c：侧面
35.150’：振荡材料膜
36.150：振荡膜
37.152：贯孔
38.160：第二导电层
39.162：上电极
40.170：封装层
41.172：封止部
42.c：母空腔
43.c：子空腔
44.c1：第一子空腔
45.c2：第二子空腔
46.c3：第三子空腔
47.c4：第四子空腔
48.e：工作元件
49.el：蚀刻液
50.l：虚拟直线
51.w：宽度
52.x：方向
53.i-i’、ii-ii’、iii-iii’、iv-iv’：剖线
具体实施方式
54.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
55.应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或“连接到”另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件可以也存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。如本文所使用的，“连接”可以指物理及/或电性连接。再者，“电性连接”或“耦合”可以是二元件间存在其它元件。
56.本文使用的“约”、“近似”、或“实质上”包括所述值和在本领域普通技术人员确定的特定值的可接受的偏差范围内的平均值，考虑到所讨论的测量和与测量相关的误差的特定数量(即，测量系统的限制)。例如，“约”可以表示在所述值的一个或多个标准偏差内，或
±
30％、
±
20％、
±
10％、
±
5％内。再者，本文使用的“约”、“近似”或“实质上”可依光学性质、蚀刻性质或其它性质，来选择较可接受的偏差范围或标准偏差，而可不用一个标准偏差适用全部性质。
57.除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。
58.图1a至图1h为本发明一实施例的换能器的制造流程的剖面示意图。图2为本发明一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。图1a至图1h对应图2的剖线i-i’。图2示出换能器10的基板110、牺牲图案142、振荡膜150及第二导电层160，而省略换能器10的其它构件。
59.请参照图1a，首先，提供基板110。在本实施例中，基板110的材质例如是玻璃。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，基板110的材质也可以是石英、有机聚合物或是其它可适用的材料。
60.接着，于基板110上形成第一导电层120，其中第一导电层120包括下电极122。在本实施例中，第一导电层120可以选择性地全面地覆盖基板110，而下电极122可以是第一导电层120其中的一区域，但本发明不以此为限。在本实施例中，第一导电层120例如包括钛/铝/钛(ti/al/ti)的堆叠层。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，第一导电层120也可包括其它种类的导电材料。此外，本发明也不限制第一导电层120一定要包括多种导电材料的堆叠层，在其它实施例中，第一导电层120也可包括单一种导电材料。
61.请参照图1b，接着，于第一导电层120上形成绝缘层130。在本实施例中，绝缘层130可选择性全面地覆盖第一导电层120，但本发明不以此为限。在本实施例中，绝缘层130的材料可为无机材料(例如：氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或上述至少二种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。
62.请参照图1c，接着，于绝缘层130上形成牺牲材料层140’，其中牺牲材料层140’包括设置于下电极122上方的牺牲区域142’。举例而言，在本实施例中，牺牲材料层140’的材料可为钼(mo)。然而，本发明不以此为限，在其它实施例中，牺牲材料层140’的材料也可以是其它种类的材料。
63.请参照图1d，接着，形成振荡材料膜150’，以包覆牺牲材料层140’。在本实施例中，振荡材料膜150’的材料可为无机材料(例如：氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或上述至少二种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。
64.请参照图1e，接着，于振荡材料膜150’上形成第二导电层160，其中第二导电层160包括多个上电极162。多个上电极162位于牺牲区域142’的上方。举例而言，在本实施例中，第二导电层160包括钼/铝/钼(mo/al/mo)的堆叠层。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，第二导电层160也可包括其它种类的导电材料。此外，本发明也不限制第二导电层160一定要包括多种导电材料的堆叠层，在其它实施例中，第二导电层160也可包括单一种导电材料。
65.请参照图1e及图1f，接着，于振荡材料膜150’中形成多个贯孔152，以使振荡材料膜150’形成振荡膜150，其中多个贯孔152分别暴露牺牲区域142’的多处142
’‑
1。牺牲区域142’除了包括分别对应多个贯孔152的多处142
’‑
1还包括位于多处142
’‑
1之间的内部142
’‑
2。
66.请参照图1f及图1g，接着，令蚀刻液el进入多个贯孔152，以去除对应多个贯孔152的牺牲区域142’的多处142
’‑
1，并残留牺牲区域142’的内部142
’‑
2，其中残留的牺牲区域142’的内部142
’‑
2又可称为牺牲图案142。
67.请参照图1h，接着，于振荡膜150上形成封装层170，其中封装层170包括多个封止部172，多个封止部172分别设置于振荡膜150的多个贯孔152中且延伸至绝缘层130。于此，便完成本实施例的换能器10。在本实施例中，封装层170的材料可为无机材料(例如：氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或上述至少二种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。
68.请参照图1h及图2，换能器10包括基板110、设置于基板110上的下电极122、设置于下电极122上的绝缘层130、设置于绝缘层130上的牺牲图案142、设置于牺牲图案142上的振
荡膜150、设置于振荡膜150上的多个上电极162以及设置于振荡膜150上的封装层170。振荡膜150具有多个贯孔152。在换能器10的俯视图中，振荡膜150的多个贯孔152分别位于牺牲图案142的不同的多侧。封装层170包括多个封止部172，其中多个封止部172分别设置于振荡膜150的多个贯孔152中，且延伸至绝缘层130。
69.请参照图1h及图2，特别是，振荡膜150、封装层170的多个封止部172、牺牲图案142及绝缘层130定义换能器10的多个子空腔c，其中牺牲图案142分隔多个子空腔c。每一工作元件e可包估一个子空腔c、定义所述一个子空腔c的部分振荡膜150、重叠于子空腔c的一个上电极162及部分的下电极122。
70.请参照图1f至图1h及图2，详言之，原本被牺牲区域142’(可参考图1f)占据的空间中的至少一部分可视为单一晶胞区，在使用蚀刻液el去除部分的牺牲区域142’时，通过控制湿式蚀刻的工艺时间，可使部分的牺牲区域142’(即牺牲图案142)残留于振荡膜150与绝缘层130之间，而残留的部分牺牲区域142’(即牺牲图案142)可将所述单一晶胞区分隔为多个子空腔c。因此，利用数量较少的贯孔152便能制作出数量相同或更多的子空腔c。由于所须设置的贯孔152数量较少，因此，可腾出更多的空间设置更多的工作元件e，进而提高换能器10的声压及频宽。
71.请参照图2，在本实施例中，于换能器10的俯视图，多个上电极162分别位于牺牲图案142的不同的多侧。举例而言，在本实施例中，多个上电极162可分别位于牺牲图案142的左右两侧，但本发明不以此为限。
72.请参照图2，在本实施例中，于换能器10的俯视图中，一虚拟直线l通过振荡膜150的多个贯孔152，方向x实质上平行于虚拟直线l，且牺牲图案142在方向x上的宽度w随着远离虚拟直线l而增加。详细而言，在本实施例中，牺牲图案142是在湿式蚀刻工艺中残留的部分牺牲区域142’，湿式蚀刻工艺的蚀刻液el的进入口即贯孔152，湿式蚀刻工艺为等向性蚀刻工艺，在以贯孔152为圆心的蚀刻范围r内的部分牺牲区域142’会被去除，因此，残留的牺牲图案142在方向x上的宽度w随着远离虚拟直线l而增加。
73.请参照图1f及图2，牺牲图案142具有相对的顶面142a及底面142b和连接顶面142a与底面142b的侧面142c。在本实施例中，牺牲图案142的顶面142a及底面142b分别直接地接触于振荡膜150及绝缘层130。在本实施例中，牺牲图案142的侧面142c包括曲面。详细而言，在本实施例中，牺牲图案142的侧面142c包括内凹的曲面。
74.在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重述。
75.图3为本发明另一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。图4为本发明另一实施例的换能器的剖面示意图。图4对应图3的剖线ii-ii’。图3示出换能器10a的基板110、牺牲图案142、振荡膜150及第二导电层160，而省略换能器10a的其它构件。
76.图3及图4的换能器10a与图1h及图2的换能器10类似，两者的差异在于：两者的母空腔c的形状不同。请参照图1h、图2、图3及图4，具体而言，母空腔c包括多个子空腔c及牺牲图案142。在图1h及图2的实施例中，于换能器10的俯视图中，母空腔c大致上呈矩形。在图3及图4的实施例中，于换能器10的俯视图中，母空腔c大致上呈菱形。
77.图5为本发明又一实施例的换能器的俯视暨透视示意图。图6为本发明又一实施例
的换能器的剖面示意图。图7为本发明又一实施例的换能器的剖面示意图。图6及图7分别对应图5的剖线iii-iii’及剖线iv-iv’。图5示出换能器10b的基板110、牺牲图案142、振荡膜150及第二导电层160，而省略换能器10b的其它构件。
78.图5、图6及图7的换能器10b与图1h及图2的换能器10类似，两者的差异在于：两者的母空腔c包括的子空腔c的数量不同。
79.请参照图5、图6及图7，具体而言，在本实施例中，牺牲图案142的不同的多侧包括互不相同的第一侧(例如：图5的牺牲图案142的左下侧)、第二侧(例如：图5的牺牲图案142的右上侧)、第三侧(例如：图5的牺牲图案142的左上侧)及第四侧(例如：图5的牺牲图案142的右下侧)，第一侧与第二侧相对，第三侧与第四侧相对，一个母空腔c的多个子空腔c包括分别位于牺牲图案142的第一侧、第二侧、第三侧及第四侧的第一子空腔c1、第二子空腔c2、第三子空腔c3及第四子空腔c4。也就是说，在本实施例中，一个母空腔c的子空腔c的数量可以超过2个，例如但不限于：4个。