專(zhuān)利名稱(chēng)：電容性機(jī)電變換器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容性機(jī)電變換器(transducer)以及制造該電容性機(jī)電變換器 的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，已經(jīng)使用超聲波變換器作為超聲波醫(yī)療診斷設(shè)備的超聲波探針。超聲波 變換器是一種用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波振動(dòng)或相反轉(zhuǎn)換的裝置。在超聲波醫(yī)療診斷設(shè)備 中，輸入的電信號(hào)被轉(zhuǎn)換為待發(fā)射到生物體中的超聲波，并且生物體中反射的超聲波被接 收以便轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。作為一種超聲波變換器，存在電容性機(jī)電變換器。電容性機(jī)電變換器 包括被維持在近似抽真空條件下的空間或所謂的空腔，并且該空腔夾在兩個(gè)電極之間。所 述電極之一被布置在薄膜或所謂的膜片(membrane)上，并且被可移動(dòng)地支撐。在超聲波發(fā)射操作時(shí)，將依照超聲波的電信號(hào)施加在這兩個(gè)電極之間。此時(shí)，膜片 和設(shè)置在其上的電極由于作用在這兩個(gè)電極之間的靜電引力而產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。另一方 面，在超聲波接收操作時(shí)，膜片及其上的電極由于來(lái)自外部的超聲波振動(dòng)而振動(dòng)。此時(shí)，這 兩個(gè)電極之間的距離根據(jù)該振動(dòng)而改變，使得這兩個(gè)電極之間的電容改變。該電容性改變 被檢測(cè)作為電信號(hào)。在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2008/089179A1和美國(guó)專(zhuān)利No. 5，982，709中公開(kāi) 了電容性機(jī)電變換器的技術(shù)。一種制造電容性機(jī)電變換器的方法包括以空腔形式在基板上形成犧牲層的步 驟，在該犧牲層上形成膜片層的步驟，以及蝕刻該犧牲層以形成所述空腔的步驟。在蝕刻所 述犧牲層的步驟之前，預(yù)先在膜片層中形成蝕刻孔，以從外部供應(yīng)蝕刻液。此外，在蝕刻所 述犧牲層的步驟之后在近似真空氣氛中使所述蝕刻孔閉合，以將該空腔從外部密封。在如上所述的電容性機(jī)電變換器中，空腔中的真空度影響超聲波的發(fā)射輸出特性 以及接收靈敏度特性。通常，當(dāng)空腔中的真空度降低并且氣體或液體侵入空腔中時(shí)，阻尼效 應(yīng)作用在膜片上。因此，發(fā)射輸出特性和接收靈敏度特性變化。因而，在這樣的電容性機(jī)電 變換器中，為了裝置特性的穩(wěn)定性，維持空腔中的真空度是重要的。即使空腔結(jié)構(gòu)由于某種 原因被損壞，也將空腔中的真空度的降低抑制在最小范圍內(nèi)。然而，在如上所述的電容性機(jī) 電變換器中，相鄰的空腔通過(guò)為蝕刻犧牲層而形成的蝕刻劑流動(dòng)路徑或者連通的部分而彼 此連通。因此，當(dāng)部分空腔中的膜片或真空密封部分被損壞時(shí)，互相連通的所有空腔的真空 密封狀況容易受影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種制造電容性機(jī)電變換器的方法，其包括在基 板上形成犧牲層，所述犧牲層用于形成多個(gè)空腔以及空腔之間的連通部分；在所述犧牲層 上形成膜片層；在形成所述空腔的至少一部分壁中形成用于將所述犧牲層的一部分暴露于 外部的蝕刻孔；通過(guò)所述蝕刻孔蝕刻所述犧牲層，以形成所述空腔以及用于將所述空腔彼 此連通的所述連通部分；使所述蝕刻孔閉合以將所述空腔從外部密封；以及使所述連通部分的至少一部分閉合以中斷所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通。根據(jù)下面的參考附圖對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其他的特征將變得清楚。


圖IA是示出了根據(jù)本發(fā)明的電容性機(jī)電變換器的實(shí)施例的平面圖。圖IB是圖IA的A-A，橫截面圖。圖2A至2K是示出了根據(jù)本發(fā)明制造電容性機(jī)電變換器的制造方法的實(shí)施例的視 圖。圖3是示出了所述電容性機(jī)電變換器的實(shí)施例的一部分的放大平面圖。
具體實(shí)施例方式下面將描述根據(jù)本發(fā)明的電容性機(jī)電變換器及其制造方法的實(shí)施例。在本發(fā)明的 電容性機(jī)電變換器及其制造方法中，用于將空腔彼此連通以在蝕刻時(shí)引導(dǎo)蝕刻液或蝕刻氣 體的連通部分的至少一部分被閉合，并且空腔之間的連通被中斷。基于這樣的概念，根據(jù)本發(fā)明的電容性機(jī)電變換器的制造方法的基本實(shí)施例包 括第一步驟，在基板上形成犧牲層，所述犧牲層用于形成多個(gè)空腔以及用于將所述空腔彼 此連通的連通部分，所述基板上形成有例如下電極；第二步驟，在所述犧牲層上形成膜片 層；以及第三步驟，在形成所述空腔的至少一部分壁中形成用于將所述犧牲層的一部分暴 露于外部的蝕刻孔。該部分位于例如與所述空腔對(duì)應(yīng)的空腔犧牲層上或者與所述連通部分 對(duì)應(yīng)的連通部分犧牲層上的膜片層、基板、或下電極等等中。該制造方法還包括第四步驟， 利用蝕刻液等通過(guò)蝕刻孔蝕刻該犧牲層，以形成所述空腔和用于使所述空腔彼此連通的連 通部分；第五步驟，使蝕刻孔閉合以將所述空腔從外部密封；以及第六步驟，使所述連通部 分的至少一部分閉合以中斷所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通。如在下面描述的實(shí)施例中所描述的，當(dāng)在連通部分犧牲層上的膜片層中形成蝕刻 孔時(shí)，第五步驟以及第六步驟可以同時(shí)執(zhí)行。在下面描述的實(shí)施例中，在連通部分犧牲層的 交叉部分上的膜片層中形成蝕刻孔，然而連通部分犧牲層的配置以及蝕刻孔的數(shù)目、配置 和位置并不限于該實(shí)施例中所描述的這些。在本發(fā)明中，蝕刻孔具有用于使?fàn)奚鼘优c蝕刻劑接觸的流動(dòng)路徑的功能。因此，蝕 刻孔可以在包圍空腔犧牲層的至少一部分壁中形成。具體地，可以在空腔犧牲層上的膜片 層、連通部分犧牲層上的膜片層、或基板等等中，形成用于將犧牲層的一部分暴露于外部的 蝕刻孔。連通部分犧牲層可以被配置為例如將兩個(gè)空腔犧牲層彼此連接。蝕刻孔可以是單 個(gè)，然而當(dāng)形成多個(gè)蝕刻孔時(shí)可以增加蝕刻速率。在連通部分犧牲層上的膜片層中形成蝕 刻孔是有益的。其理由是，空腔膜片層不經(jīng)受蝕刻，由此裝置的特性可以容易地具有目標(biāo) 值。此外，在這種情況下，如上所述的，第五步驟和第六步驟可以同時(shí)執(zhí)行。特別地，在這種 情況下，可以使電極之間形成的犧牲層的蝕刻速率相對(duì)快且穩(wěn)定。因此，可以改善裝置的產(chǎn) 率。作為一種通過(guò)閉合連通部分的至少一部分來(lái)使空腔之間的連通中斷的方法，存在 這樣一種方法利用材料(密封件)填充在連通部分的至少一部分中形成的且暴露于外部的孔。典型地，該孔是蝕刻孔，然而它可以是與蝕刻孔分開(kāi)形成的孔。此外，存在一種通過(guò) 使連通部分的互相面對(duì)的面彼此接合來(lái)中斷空腔之間的連通的方法。例如，可以通過(guò)利用 外部壓力接合連通部分的互相面對(duì)的上面和下面來(lái)使連通部分閉合。該方法包括下面的例 子。使連通部分的要被閉合的互相面對(duì)的面之間的間隙窄，以使得可以利用外部壓力使這 些面彼此接合。出于此目的，與該部分對(duì)應(yīng)的犧牲層的部分被形成為這樣一種形狀，并蝕刻 該犧牲層。還可以降低連通部分的要被閉合的部分處的膜片層的厚度，并利用外部壓力使此 處的面彼此接合。此外，存在一種利用壓力使膜片層與基板和側(cè)壁接觸以使連通部分的一 部分閉合，并利用樹(shù)脂使閉合的部分硬化的方法。還可以使用樹(shù)脂形成膜片層，并將連通部 分的要被閉合的部分處的膜片層和基板熱熔化以使連通部分閉合?；谝陨纤龅母拍睿景l(fā)明的電容性機(jī)電變換器的基本實(shí)施例包括多個(gè)空腔、 用于使空腔彼此連通的連通部分、以及夾著所述空腔的兩個(gè)電極，并且所述多個(gè)空腔被從 外部密封。此外，連通部分的至少一部分被閉合，并且連接到所述連通部分的空腔之間的連 通被中斷。所述的兩個(gè)電極是如下面描述的上和下電極。適當(dāng)數(shù)目的、其間的連通被中斷 的空腔構(gòu)成下面描述的元件，并且該電容性機(jī)電變換器包括多個(gè)元件。將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在圖IA和IB所示的配置中，基板101可以是 單晶硅基板、玻璃基板、或具有貫通配線(xiàn)的玻璃基板等等。當(dāng)基板是諸如單晶硅基板的半導(dǎo) 體基板時(shí)，基板還可以作為下電極。在圖IA和IB所示的配置中，使用具有貫通配線(xiàn)的玻璃 基板。因此，基板101包括玻璃基板102以及貫通線(xiàn)(via wire) 103和104。圖IB中所示 的下電極105是電容性機(jī)電變換器中的一對(duì)面對(duì)的電極中的電極。下電極105連接到貫通 線(xiàn)103，并且被引向基板101的底面?zhèn)?。電極106連接到貫通線(xiàn)104，并且被引向基板101 的底面?zhèn)??？涨?07是形成在下電極105和膜片109之間的并且被維持在近似抽真空條件 下的空間。連通部分108是從空腔107延伸的空間。連通部分108作為用于在下面描述的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的制造工藝中在蝕刻時(shí)使空 腔彼此連通的部分。連通部分108的功能是將蝕刻液引導(dǎo)并供應(yīng)到所述空腔。膜片109是 面對(duì)下電極105布置的膜，空腔107插入二者之間。膜片109下的空間如上所述是在近似 抽真空條件下，使得膜片109可以被可移動(dòng)地支撐。上電極110形成在膜片109上，并被與 膜片109 —起可移動(dòng)地支撐。所述多個(gè)空腔107和膜片109上設(shè)置的多個(gè)上電極110彼此 互相電連接，并連接到在開(kāi)口部分112中形成的電極114。電極114電連接到電極106。蝕刻孔111是在膜片109中形成的開(kāi)口部分，并作為要用于機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的制造 工藝中的蝕刻液的供應(yīng)路徑。密封件113設(shè)置在連通部分108中，并將空腔107從外部空間 密封，以將它維持在近似抽真空條件下。同時(shí)，密封件113將空腔107之間的通過(guò)連通部分 108的連通閉合。下面將描述蝕刻孔111和密封件113的細(xì)節(jié)。上電極110可以由從Al、 Cr、Ti、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta 禾口 Ni 中選擇的金屬以及從 AlSi、AlCu、AlTi、MoW 禾口 AlCr 中選擇的合金中的至少一個(gè)形成。此外，上電極110在膜片109的頂面、底面以及內(nèi)部中的 至少一個(gè)中形成。在膜片由導(dǎo)體或半導(dǎo)體形成的情況下，膜片本身也可以作為上電極。在電容性機(jī)電變換器的該實(shí)施例中，多組下電極105和貫通電極103彼此電絕緣。 包括設(shè)置在彼此互相電絕緣的下電極105上的多個(gè)空腔107的部分被稱(chēng)作元件。在超聲波 發(fā)射操作模式中，可以分別在不同元件中在下電極105和上電極110之間施加不同波形的電信號(hào)。因此，可以通過(guò)每一元件執(zhí)行以獨(dú)立的超聲波波形的發(fā)射操作。在超聲波接收操作模式中，可以通過(guò)每一元件檢測(cè)如上所述的由于超聲波振動(dòng)而 引起的電容的變化。因此，可以通過(guò)每一元件執(zhí)行以獨(dú)立的超聲波波形的接收操作。圖IA 和IB示出了其中兩個(gè)元件設(shè)置在一個(gè)方向中的布置的配置。然而，可以以不同的方式布置 元件，即，以不同數(shù)目、一維或二維布置等等來(lái)布置元件。如上所述，每一元件可以包括多個(gè) 空腔107。在該實(shí)施例中，每一元件包括九個(gè)空腔107。這九個(gè)空腔107之間的相互連通被 中斷。將參考圖2A至2K和圖3描述本實(shí)施例的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的制造方法以及連通部分 108、蝕刻孔111和密封件113的結(jié)構(gòu)。圖2A至2K示出該制造方法的工藝。在圖2A至2K 中，由相同的附圖標(biāo)記表示圖IA和IB中相同的部分。圖2A至2G是橫截面圖，而圖2H至 2K是平面圖。在本實(shí)施例的制造方法中，最初制備圖2A中所示的基板101。如圖2B和2H中所 述，形成下電極105。下電極105如下形成。通過(guò)真空蒸發(fā)或?yàn)R射形成金屬層。之后通過(guò)光 刻形成具有與下電極105相同形狀的抗蝕劑。通過(guò)蝕刻去除金屬層的不必要的部分，以形 成下電極105。下電極105可以具有任何形狀，并且電連接至貫通電極103。同時(shí)，形成連 接到貫通線(xiàn)104的電極106。然后，如圖2C和21中所示，形成空腔犧牲層201和連通部分犧牲層202。在后來(lái) 的犧牲層蝕刻步驟中，空腔犧牲層201被去除以形成空腔107?？涨?07的形狀由空腔犧牲 層201的形狀決定。空腔犧牲層201通過(guò)連通部分犧牲層202彼此互相連接。連通部分犧 牲層202作為犧牲層蝕刻步驟中的蝕刻液供應(yīng)路徑。然后，如圖2D中所示，形成膜片(膜 片層)109。膜片109不僅可移動(dòng)地支撐上電極110，而且使上電極110與下電極105電絕 緣。例如，膜片109可以通過(guò)CVD(化學(xué)氣相淀積)方法由硅氮化物或硅氧化物形成。如圖2E和2J中所示，在膜片109中形成蝕刻孔111和開(kāi)口部分112。在連通部 分犧牲層202中形成蝕刻孔111，以將用于蝕刻犧牲層的蝕刻液供應(yīng)到連通部分犧牲層202 和空腔犧牲層201?？梢栽谶B通部分犧牲層202或空腔犧牲層201中形成至少一個(gè)蝕刻孔 111。在如圖2J所示形成多個(gè)蝕刻孔111時(shí)，可以縮短犧牲層蝕刻步驟的蝕刻時(shí)間。通過(guò) 去除電極106上形成的膜片109形成開(kāi)口部分112。通過(guò)開(kāi)口部分112，可以將電極106電 連接到要在后來(lái)的步驟中形成的上電極110。蝕刻孔111和開(kāi)口部分112可以在同一步驟中形成。在該方法中，在通過(guò)光刻形 成抗蝕劑之后，例如通過(guò)蝕刻形成蝕刻孔111和開(kāi)口部分112。在膜片109由硅氮化物或硅 氧化物形成的情況下，通過(guò)利用等離子體的干法蝕刻形成蝕刻孔111和開(kāi)口部分112是有 利的。如圖2F中所示，通過(guò)蝕刻去除空腔犧牲層201以形成空腔107。在該刻蝕工藝 期間，也可以將連通部分犧牲層202去除。蝕刻犧牲層的方法根據(jù)空腔犧牲層201的材 料而變化。例如，當(dāng)空腔犧牲層201由鉻形成時(shí)，可以使用利用次生硝酸鈰銨(ammonium secondarycerium nitrate)的濕法蝕刻。在這種情況下，例如，當(dāng)下電極105由鈦形成并且 膜片109由硅氮化物形成時(shí)，可以采用空腔犧牲層201相對(duì)于下電極105和膜片109的蝕 刻選擇性。也可以采用電解蝕刻作為蝕刻方法。最后，如圖2G和2K中所示，形成上電極110、電極114和密封件113。上電極110和密封件113可以由例如鋁形成。在這種情況下，在通過(guò)真空蒸發(fā)或?yàn)R射形成鋁層并形成 具有與上電極110、電極114和密封件113相同形狀的抗蝕劑之后，通過(guò)蝕刻將金屬層的不 必要的部分去除。上電極110彼此電連接，并通過(guò)開(kāi)口部分112中形成的電極114連接到 電極106。因此，上電極110通過(guò)貫通電極104被電引向基板101的底面?zhèn)?。將參考圖3描述該實(shí)施例中的蝕刻孔111和密封件113的配置。在圖3中，省略 了上電極110。此外，空腔犧牲層201有時(shí)稱(chēng)為具有相同形狀的空腔107。類(lèi)似地，連通部 分犧牲層202有時(shí)稱(chēng)為連通部分108。在該實(shí)施例中，連通部分犧牲層202從蝕刻孔111在 四個(gè)方向延伸，并且每一連通部分犧牲層202連接到空腔犧牲層201。因此，在蝕刻犧牲層 的步驟期間，蝕刻從蝕刻孔111同時(shí)在四個(gè)方向進(jìn)行，并且空腔犧牲層201被蝕刻。此外，蝕刻孔111的寬度(在圖3中由字母、”標(biāo)出)大于連通部分犧牲層202的 寬度(在圖3中由字母h標(biāo)出)。也即，寬度、”比寬度h大2c。密封件113的寬度(在 圖3中由字母d標(biāo)出)大于蝕刻孔111的寬度(在圖3中由字母a標(biāo)出)。也即，寬度d比 寬度2大2e。這里，從蝕刻孔111開(kāi)始在四個(gè)方向延伸的連通部分108之間的連通被中斷。 當(dāng)在近似抽真空氣氛下形成密封件113時(shí)，可以以獨(dú)立的方式將每一空腔107密封在近似 抽真空條件下。這里，可以同時(shí)執(zhí)行將所述多個(gè)空腔107從外部密封的步驟以及將空腔107 之間的通過(guò)連通部分108的連通中斷的步驟。在該實(shí)施例中，可以通過(guò)將用于使空腔彼此連通的連通部分108閉合來(lái)使空腔彼 此獨(dú)立。在蝕刻步驟中，形成對(duì)多個(gè)空腔共用的蝕刻孔，以有效地執(zhí)行蝕刻并形成空腔。然 而，所完成的空腔彼此不連通。因此，即使任何空腔被損壞，也不影響其他的空腔。例如，即 使單元中的膜片被破壞，其他空腔也不與大氣連通。盡管已經(jīng)參考示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開(kāi)的 示例性實(shí)施例。下面的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬泛的解釋?zhuān)园ㄋ羞@些修改以及 等效的結(jié)構(gòu)和功能。本申請(qǐng)要求2009年5月8日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2009-113105的優(yōu)先權(quán)，特 此通過(guò)引用將其全文合并在此。
權(quán)利要求
一種制造電容性機(jī)電變換器的方法，所述方法包括在基板上形成犧牲層，所述犧牲層用于形成多個(gè)空腔以及所述空腔之間的連通部分；在所述犧牲層上形成膜片層；在形成所述空腔的至少一部分壁中形成蝕刻孔，所述蝕刻孔用于將所述犧牲層的一部分暴露于外部；通過(guò)所述蝕刻孔蝕刻所述犧牲層，以形成所述空腔以及用于使所述空腔彼此連通的所述連通部分；將所述蝕刻孔閉合，以將所述空腔從外部密封；以及將所述連通部分的至少一部分閉合，以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述蝕刻孔形成在用于形成所述連通部分的犧牲層 上的膜片層中，并且將所述蝕刻孔閉合和將所述連通部分的所述部分閉合是同時(shí)進(jìn)行的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在將所述部分閉合中，用材料填充在所述連通部分 的至少另一部分中形成的并且暴露于外部的孔，以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的 連通中斷。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在將所述部分閉合中，使所述連通部分的至少另一 部分中的互相面對(duì)的面彼此接合，以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
5.一種電容性機(jī)電變換器，包括 多個(gè)空腔；連通部分，被配置用于將所述空腔彼此連接；以及 兩個(gè)電極，被配置用于夾著每一空腔，其中，所述空腔被從外部密封，并且所述連通部分的至少一部分被閉合，以使所述空腔 之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
6.一種電容性機(jī)電變換器，包括基板上的犧牲層，用于形成多個(gè)空腔和所述空腔之間的連通部分，所述連通部分使所 述空腔彼此連通以及使所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷； 膜片層，位于所述犧牲層上；以及在形成所述空腔的至少一部分壁中的蝕刻孔，所述蝕刻孔用于將所述犧牲層的一部分 暴露于外部；其中，所述蝕刻孔被閉合以將所述空腔從外部密封；以及所述連通部分的至少一部分被閉合以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
7.如權(quán)利要求6所述的變換器，其中所述蝕刻孔形成在用于形成所述連通部分的犧 牲層上的膜片層中，并且將所述蝕刻孔閉合和將所述連通部分的所述部分閉合是同時(shí)進(jìn)行 的。
8.如權(quán)利要求6所述的變換器，其中在將所述部分閉合中，用材料填充在所述連通部 分的至少另一部分中形成的并且暴露于外部的孔，以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分 的連通中斷。
9.如權(quán)利要求6所述的變換器，其中，使所述連通部分的至少另一部分中的互相面對(duì)的面彼此接合，以將所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
全文摘要
本發(fā)明涉及電容性機(jī)電變換器及其制造方法。電容性機(jī)電變換器包括多個(gè)空腔，用于使所述空腔彼此連接的連通部分，以及夾著每一空腔的兩個(gè)電極。所述空腔被從外部密封，并且所述連通部分的至少一部分被閉合，以使所述空腔之間的通過(guò)所述連通部分的連通中斷。
文檔編號(hào)H04R31/00GK101883309SQ20101017342
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者添田康宏 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社