TWI260940B - Method for producing polymeric capacitive ultrasonic transducer - Google Patents

Description

1260940 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種高分子基電容式超音波換能器製 作方法，尤其是有關於一種可降低製造成本之高分子基電 ' 容式超音波換能器製作方法。 【先前技術】 超音波感測系統是目前廣為使用之檢測設備之一，其 • 主要核心元件是由相關超音波換能器所組成，對超音波換 能器而言，「微型化」是目前全球積極發展重點趨勢之一， 原因在於其具有高響應、高解析度與應用廣泛之優點。超 音波系統具有非侵入性（Noninvasive)、即時性、可攜性與 高經濟價值的優點，在臨床醫學、軍事及航太檢測上的運 用越來越廣泛，例如醫用超音波成像系統。由於感測器的 設計與製作的品質，決定了影像好換，因此成為超音波成 像的主要關鍵技術核心。 鲁 感測器目前最常是使用超音波材質為壓電材料’因為 壓電材料的陶瓷表面其阻抗的數量級和固體是相同的。但 是當待測物是液體與氣體時，由阻抗差異過大，使得必須 放棄壓電材料進而尋找新元件與開發新技術。圖二十九係 * 為習知壓電元件感測器之剖面圖，其係以一背膠層30作為 • 基板，為了提升增加發射效率，在壓電材料層32和材質層 36之間都會製作一匹配層34。在極大的商機與技術突破的 利基誘因下，這也使得超音波感測器漸漸由壓電形式而發 展成微電容形式換能器，有效提升特性與增加應用。 5 1260940 * 電容式超音波換能器與一般常見壓電式比較，最大的 差異是電容式具有高機電轉換效率，進而延伸出的優點為 頻率範圍大、靈敏度高、解析度佳、動態範圍大、可在空 ‘ 氣中使用。在空氣使用中，電容式頻率範圍約落在 - 200ΚΗζ-5ΜΗζ，而壓電式僅有50-200ΚΗζ，如此頻帶的差異 亦造成使用困擾與侷限了應用範圍。再者由於壓電式的製 造過程屬於高溫製程，較不易與電子電路整合，進而阻礙 M 了廣泛應用領域的整合發展。 • 電容式超音波感測器結構類似平行板機械電容，利用 一固定電極及一具有可震盪薄膜電極，加入交流電壓訊號 驅動薄膜，使其產生超音波震動，進而可利用該超音波來 進行檢測。 1998年，Jin等人利用面型微加工技術，製作可應用 於空氣及水下的電容式超音波感測器。採用高摻雜表面具 有良好導電率的矽晶圓為基材，首先以低壓化學氣相沉積 (LPCVD)方法於800°C下沉積第一層氮化物來保護底部電 φ 極，接著以非晶矽為犧牲層，經由乾蝕刻方法蝕刻出六角 形島狀物，再沉積第二層氮化物為薄膜以及支撐薄膜的六 角形邊框，乾蝕刻第二層氮化物形成孔徑，並以氫氧化鉀 於75°C下經由孔徑移除非晶矽以形成感測器腔體，接著沉 ^ 積氧化矽將孔徑密封，最後再鍍上鋁，並以濕蝕刻方式完 • 成感測器上部電極圖案。 2002年，Cianci等人為了降低薄膜應力對感測器裝置 的影響，因此發展低溫製程技術以及退火處理等步驟來製 作電容式超音波感測器。製程方法為首先以聚亞醯氨 6 1260940 ^ (Polyimide)為犧牲層，並以反應性離子蝕刻法（RIE)蝕刻 該聚亞醯氨以形成六角形島狀物，再以低溫下蒸鍍一氧化 矽至六角形邊框直到與犧牲層等高，作為支撐薄膜的結 * 構，接著用電漿輔助化學氣相沉積法（PECVD)於380°C下 • 沉積氮化矽為薄膜結構，最後在510°C的溫度下退火10個 小時，以消除薄膜的壓應力進而達到輕微張應力的理想結 果，感測器上部電極係以光微影方法完成，底部電極則鑛 ' 於矽晶圓背面。 • 然而於上述製程中，其皆具有加工溫度高、高殘餘應 力、製程特性不易掌握與高成本等問題，因此需搭配相關 製程步驟以解決上述問題，例如需要結合退火步驟來降低 殘餘應力，減少震盪膜變形破壞。此外，習知技術係多以 矽基材料製作激振腔體，故會具有顯著之萊姆波（Lamb Wave)效應，且激振腔體與薄膜為不同材質，熱膨脹係數不 同，造成超音波換能器不穩。 因此，所需要的是一種高分子基電容式超音波換能器 • 製作方法，其係可克服習知技術的缺點，本發明係可滿足 此需求。 【發明内容】 * 本發明之主要目的係提供一種高分子基電容式超音波 • 換能器製作方法，其係利用高分子材料價格低廉、製程簡 單、可大型化等優點，以達到降低製造成本且製作過程容 易之目的。 為達上述目的，該高分子基電容式超音波換能器製作 7 1260940 * 方法係包含下列步驟： a) 提供一基板； b) 形成一第一導體部於該基板上； " c)塗佈一犧牲層於該基板上，使其覆蓋該第一導體部； — d)蝕刻該犧牲層，形成與該第一導體部接觸之一腔體 部； e)塗佈一第一高分子基材料於該基板上，且使其完全 * 覆蓋該腔體部； • 〇形成一第二導體部於該第一高分子基材料上； g) 開設可通達該腔體部之一通孔於該第一高分子基材 料上；以及 h) 利用該通孔對該腔體部進行蝕刻，藉以完全移除該 腔體部。 較佳地，該步驟b)係包含下列步驟：bl)於該基板上 完整塗佈該第一導體部。 較佳地，該步驟bl)之後更包含下列步驟：b2)蝕刻該 φ 第一導體部，使得其僅留下所需之區域大小。 較佳地，該高分子基電容式超音波換能器製作方法中 更包含下列步驟：i)以一第二高分子基材料完全覆蓋該第 二導體部。 ' 較佳地，該高分子基電容式超音波換能器製作方法中 • 更包含下列步驟·· i)以一第二高分子基材料完全覆蓋該第 二導體部並填補該通孔。 較佳地，該基板係由矽所製成。 較佳地，該第一導體部係由金屬所製成。 8 基=佳地，該第-導體部之金屬 毕父佳地 較佳地，該犧牲層係由金屬所製成 較佳地，該犧牲層之金屬係為銅。

係經由濺鍍而形成於該 该弟二導體部係由金屬 較佳地，於步驟〇中，亥第1屬所衣成。 而形成於該第-高分子體部之金屬係經由滅鍍 濕式钱刻。 國際商務機械公司 f圭地’步驟h)中之钱刻方式係為 乂 4土地，δ亥第一面分子基材料 ⑽）所生產之㈣光阻劑。+係為 有更進—步之了解與認同’兹方法 【實施方式】 以下將茶照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使 用^的技術手段與功效’而以下圖式所列舉之實施例僅為輔 助說明，以利t審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限 於所列舉圖式。 ’圖至圖九係為本發明高分子基電容式超音波換能器 製作方法之流程示意圖，其係顯示第一實施例。 於圖一中，係提供一基板10，並於該基板1〇之上沉 積一導體部12。 於圖一中’該導體部12係被|虫刻成所需之形狀。 接著，如圖三所示，一犧牲層14係被塗佈於該基板 10之上，並覆蓋該第一導體部12。 9 1260940 • 其次，如圖四所示，對該犧牲層14進行触刻，使其僅 殘留與該第一導體部12接觸之一腔體部16。 再來請參見圖五，吾人再於該基板10之上塗佈一高分 ^ 子基材料18，使其完全覆蓋該腔體部16。 • 然後，如圖六所示，於該高分子基材料18上形成另一 導體部20。 之後，如圖七所示，係於該高分子基材料18上開設可 • 通達該腔體部16之通孔22 ;於本實施例中，係開設兩個 • 通孔，當然，亦可僅開設單一通孔或複數個通孔。 再來請參見圖八，接著經由該等通孔22對該腔體部 16進行濕式蝕刻，以完全移除該腔體部16。 至此，本發明之高分子基電容式超音波換能器已大略 製作完成；當然，為防止該導體部12及該導體部20受到 灰塵或水氣之污染或是被氧化而生鏽，吾人可再以另一高 分子基材料24完全覆蓋該導體部20並填補該等通孔22。 圖十至圖十六係為本發明高分子基電容式超音波換能 φ 器製作方法之流程示意圖，其係顯示第二實施例。 於圖十中，係提供一基板10，並於該基板10之上沉 積一導體部12。 於圖十一中，係於該導體部12上製作一腔體部16。 • 其次，如圖十二所示，於該導體部12上塗佈一高分子 • 基材料18，使其完全覆蓋該腔體部16。 然後，如圖十三所示，於該高分子基材料18上形成另 一導體部20。 之後，如圖十四所示，係於該高分子基材料18上開設 10 1260940 ' 可通達該腔體部16之通孔22 ;於本實施例中，係開設兩 個通孔，當然，亦可僅開設單一通孔或複數個通孔。 接著請參見圖十五，接著經由該等通孔22對該腔體部 ' 16進行濕式蝕刻，以完全移除該腔體部16 ◦ • 再來，如同上述第一實施例所示，為防止該導體部12 及該導體部20受到灰塵或水氣之污染或是被氧化而生 鏽，吾人可再以又另一高分子基材料26完全覆蓋該導體部 ' 20，如圖十六所示。藉由適當選擇該高分子基材料26之種 # 類，可使得該高分子基材料26旋塗於該導體部20上時， 該高分子基材料26之橫向連結力會大於垂直之重力，因此 該高分子基材料26係不會流下，意即該等通孔22係不會 被填滿。 圖十七至圖二十八係為本發明高分子基電容式超音波 換能器製作方法之流程示意圖，其係顯示第三實施例。於 本實施例中，係製作具有不同腔體氣隙厚度之高分子基超 音波換能器。 • 於圖十七中，係提供一基板40，並形成一導體部42 於該基板40上。 接著，如圖十八所示，塗佈一高分子基材料44於該導 體部42上，使其覆蓋該導體部42。 對該南分子基材料4 4進行银刻’形成一開放區4 6 a與 • 一開放區46b，如圖十九所示。 再請參見圖二十，於該開放區46a與該開放區46b中 分別形成一犧牲層48a與犧牲層48b。 接著，塗佈一光阻50，使其完全覆蓋該高分子基材料 1260940 44、該犧牲層48a以及該犧牲層48b，如圖二十一所示。 再來除去部分光阻50，使其僅殘留位於該犧牲層48a 上之部分光阻50，如圖二十二所示。 " 接著如圖二十三所示，係繼續增厚該犧牲層48b。 " 之後，移除全部之光阻50，再以該高分子基材料44 塗佈於該犧牲層48a與該犧牲層48b上，使其完全覆蓋該 犧牲層48a與該犧牲層48b，如圖二十四所示。 再來，如圖二十五所示，於該高分子基材料44上分別 • 開設可通達該犧牲層48a與該犧牲層48b之通孔52a與通 孔 52b。 如圖二十六所示，分別對應該犧牲層48a與該犧牲層 48b以形成另一導體部54a與導體部54b於該高分子基材 料44上。 再來，以該高分子基材料44包覆該等導體部54a與導 體部54b，如圖二十七所示。 最後，如圖二十八所示，分別利用該通孔52a與該通 φ 孔52b對該犧牲層48a與該犧牲層48b進行蝕刻，以完全 移除該犧牲層48a與該犧牲層48b。 如此，即可得到具有不同腔體氣隙厚度（可分別作為發 射元件與接收元件）之高分子基超音波換能器。 ‘ 於本發明中，該基板係可為一矽晶圓，該等導體部係 • 可分別經由濺鍍金屬於該基板及該高分子基材料上所製 成；又，該犧牲層亦可由金屬，例如銅所製成；且該等高 分子基材料係可為國際商務機械公司（IBM)所生產之SU-8 光阻劑。 12 1260940 經由上述說明可知，本發明之高分子基電容式超音波 換能器係利用高分子材料價格低廉、製程簡單、可大型化 等優點，且利用高分子之低溫加工製程，可避免習知技術 " 之昂貴製程與高溫步驟，減少匹配層之製作程序；所製作 ' 出之換能器不但具有高性能、高指向性，可提升靈敏度與 動態檢測範圍外，亦可應用於醫學影像、非破壞性檢測、 位移、流量及液面檢測等領域，為極具競爭力之產品。 ' 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 • 能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵 蓋之範圍内，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 1260940 【圖式簡單說明】 圖一係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖二係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖三係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖四係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖五係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖六係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖七係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖八係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖九係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第一實施例； 圖十係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法之 流程示意圖，其係顯示第二實施例； 圖十一係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； 圖十二係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； 14 1260940 • 圖十三係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； 圖十四係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 ' 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； - 圖十五係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； 圖十六係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 ' 之流程示意圖，其係顯示第二實施例； • 圖十七係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖十八係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖十九係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方法 之流程示意圖，其係顯示第三實施例； Φ 圖二十一係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十二係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； - 圖二十三係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 • 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十四係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十五係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 15 1260940 * 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十六係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； ^ 圖二十七係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 - 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例； 圖二十八係為本發明高分子基電容式超音波換能器製作方 法之流程示意圖，其係顯示第三實施例；以及 圖二十九係為習知壓電元件感測器之剖面圖。 【主要元件符號說明】 10-基板 12-導體部 14-犧牲層 16-腔體部 18-南分子基材料 20-導體部 φ 22-通孔 24-高分子基材料 26-高分子基材料 30-背膠層 * 32-壓電材料層 • 34-匹配層 36-材質層 4 0 -基板 42-導體部 16 1260940 • 44-高分子基材料 46a-開放區 4 6 b -開放區 > 48a-犧牲層 - 48b-犧牲層 50-光阻 52a-通孔 52b-通孔 φ 54a-導體部 54b-導體部

Claims (1)

1260940 十、申請專利範圍： 1. 一種高分子基電容式超音波換能器製作方法，該方法包 含下列步驟： a) 提供一基板，· b) 形成一第一導體部於該基板上； c) 塗佈一犧牲層於該基板上，使其覆蓋該第一導體部； d) 蝕刻邊犧牲層，形成與該第一導體部接觸之一腔體 部；

高分子基材料於該基板上，且使其完全 覆 e)塗佈一第 蓋該腔體部 〇形成一第二導體部於該第一高分子基材料上； g)開設可通達該腔體部之一通孔於該第一高分子基材 料上；以及 1)利用該通孔對該腔體部進行_，#以完腔 體部。

2· 2請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波換 此益製作方法，其中該步驟b)係包含下列步驟： bl)於該基板上完整塗佈該第一導體部。 3. ==範圍第2項所述之高分子基電容式超音波換 t法L其中該步驟b 1)之後更包含下列步驟： 第-導體部’使得其僅留下所需之區域大小。 4. 如申請專㈣㈣丨項所述之高分子 能器製•法，其中更包含下列步驟：认曰波換 i)以-第二高分子基材料完全覆蓋該第二導體部。 5·如申請專利範圍第1 員所述之南分子基電容式超音波換 18 1260940 * 能器製作方法，其中更包含下列步驟： i)以一第二高分子基材料完全覆蓋該第二導體部並填 補該通孔。 ‘ 6.如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波換 — 能器製作方法，其中該基板係由矽所製成。 7.如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波換 能器製作方法，其中該第一導體部係由金屬所製成。 ' 8.如申請專利範圍第7項所述之高分子基電容式超音波換 籲 能器製作方法，其中於步驟b)中該金屬係經由濺鍍而形 成於該基板上。 9. 如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波換 能器製作方法，其中該第二導體部係由金屬所製成。 10. 如申請專利範圍第9項所述之高分子基電容式超音波 換能器製作方法，其中於步驟Ο中該金屬係經由濺鍍 而形成於該第一高分子基材料上。 11. 如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波 • 換能器製作方法，其中該犧牲層係由金屬所製成。 12. 如申請專利範圍第11項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該金屬係為銅。 13. 如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波 ' 換能器製作方法，其中於步驟h)中之蝕刻方式係為濕 - 式蝕刻。 14. 如申請專利範圍第1項所述之高分子基電容式超音波 換能器製作方法，其中該第一高分子基材料係為國際 商務機械公司（IBM)所生產之SU-8光阻劑。 19 1260940 15. —種高分子基電容式超音波換能器製作方法，該方法 包含下列步驟： a) 提供一基板； b) 形成一第一導體部於該基板上； c) 塗佈一第一高分子基材料於該第一導體部上，使其覆 蓋該第一導體部； d) 對該第一高分子基材料進行蝕刻，形成一開放區； e) 於該開放區中形成一犧牲層； ► f)塗佈一第二高分子基材料於該犧牲層上，且使其完全 覆蓋該犧牲層； g) 開設可通達該犧牲層之一通孔於該第二高分子基材料 上； h) 形成一第二導體部於該第二南分子基材料上， i) 以一第三高分子基材料包覆該第二導體部；以及 j) 利用該通孔對該腔體部進行蝕刻，藉以完全移除該犧 牲層。 ► 16.如申請專利範圍第15項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該第一導體部係由白金所製 成。 17.如申請專利範圍第15項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該犧牲層係由金屬所製成。 ‘ 18.如申請專利範圍第17項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該金屬係為銅。 19.如申請專利範圍第15項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該第一高分子基材料、該第 20 1260940 二高分子基材料與該第三南分子基材料中之至少一種 係為國際商務機械公司（IBM)所生產之SU-8光阻劑。 20. 如申請專利範圍第15項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中該第二導體部係由金屬所製 成。 21. 如申請專利範圍第15項所述之高分子基電容式超音 波換能器製作方法，其中於步驟j)中之蝕刻方式係為 濕式蝕刻。