机电变换器及其制作方法
【专利说明】机电变换器及其制作方法
[0001 ] 本申请是基于申请号为201210097609.6、申请日为2012年4月6日、发明名称为“机电变换器及其制作方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]实施例的一个公开的方面涉及机电变换器和制作该变换器的方法。更具体地说，一个实施例涉及被用作超声变换器的机电变换器和制作该变换器的方法。
【背景技术】
[0003]已经在研究通过微加工技术制作的机电变换器(诸如电容式微加工超声变换器(CMUT))以作为压电变换器的替代。这些电容式机电变换器可以利用振动膜的振动来接收和发送超声波。
[0004]作为制作CMUT的方法，美国专利公开N0.2005/0177045描述了其中通过刻蚀牺牲层来形成空腔的方法。在美国专利公开N0.2005/0177045中描述的方法中，为了防止上电极在刻蚀牺牲层期间被刻蚀，第二电极被布置在第一薄膜(membrane)与第二薄膜之间，并且牺牲层被刻蚀。
[0005]如在美国专利公开N0.2005/0177045中描述的方法中一样，通过在衬底上顺序地堆叠下电极、绝缘膜、上电极和薄膜来制作CMUT。在形成多个层的情况下，层的厚度倾向于变化。如果层的厚度在单元或元件之间不同，则在单元或元件之间的频率特性变化。
【发明内容】
[0006]在本发明中，可以减少在单元或元件之间的频率特性的变化。
[0007]根据本发明的方面的机电变换器包括:衬底;布置在所述衬底上的第一电极；以及振动膜，包括布置在所述第一电极上的薄膜以及布置在所述薄膜上以便与所述第一电极相对的第二电极，在所述薄膜与所述第一电极之间具有间隙。所述第一电极具有6nm RMS(均方根)或更小的表面粗糙度值。
[0008]根据本发明的方面的制作机电变换器的方法包括:在衬底上形成第一电极的步骤;在所述第一电极上形成牺牲层的步骤;在所述牺牲层上形成薄膜的步骤;在所述薄膜上形成第二电极的步骤；以及在所述薄膜中形成刻蚀孔并且通过所述刻蚀孔去除所述牺牲层的步骤。所述第一电极被形成为具有6nm RMS或更小的表面粗糙度值。
[0009]本发明可以通过优化第一电极的表面状况来减少频率特性在单元或元件之间的变化。
[0010]从以下参考附图的示例性实施例的描述中本发明更多的特征将变得清晰。
【附图说明】
[0011]图1A和图1B是示出根据本发明的方面的示例I可以适用的机电变换器的示意图。
[0012]图2A?2G是示出制作一个实施例的示例I可以适用的机电变换器的方法的过程图。
[0013]图3A是示出在第一电极的表面粗糙度和厚度之间的关系的曲线图。
[0014]图3B是示出在第一电极的表面粗糙度和振动膜的频率特性之间的关系的曲线图。
[0015]图4A和图4B是示出根据实施例的方面的示例2可以适用的机电变换器的示意图。
【具体实施方式】
[0016]本发明的发明人已经注意到，振动膜的频率特性根据在衬底上形成的每个层的厚度的变化而变化。特别地，本发明的发明人已经注意到，制作元件的早期的步骤、即形成第一电极的步骤是重要的。在通过堆叠多个层制作的机电变换器中，在形成第一电极之后的步骤中形成的层可以具有反映第一电极的表面形状的表面形状。从该观点来看，本发明的发明人已经发现，在第一电极的表面粗糙度和振动膜的频率特性之间存在一定的关系。
[0017]基于该关系，实施例提供了具有6nmRMS或更小的表面粗糙度值的第一电极。现在将参考附图描述实施例。
[0018]机电变换器的配置
[0019]图1A是示出根据实施例的方面的机电变换器的元件I的顶视图，并且图1B是由图1A的虚线包围的单元结构2的沿着线IB-1B截取的截面图。本实施例的元件I包括彼此电连接的多个单元结构2。尽管图1A仅仅示出了一个元件，但是机电变换器可以具有多个元件。在图1A中，元件I由九个单元结构2组成，但是单元结构的数量不受特别的限制。此外，尽管以方形格子形状布置单元结构2，但是可以以任何形状(诸如锯齿形)来布置单元结构2。图1A所示出的单元结构2是圆形的，但是它们可以是例如方形的或六边形的。
[0020]图1B是单元结构2的截面图。单元结构2包括衬底11、以及布置在衬底11上的第一绝缘膜12、第一电极13和第二绝缘膜14。单元结构2还包括由第一薄膜16、第二电极17和第二薄膜18组成的振动膜。振动膜在与第二绝缘膜14之间有间隙(空腔15)的情况下被布置在第二绝缘膜14上。第一薄膜16被布置在第二电极17的间隙侧(空腔15侧)上并且由薄膜支撑部19支撑。第二薄膜18被布置在第二电极17的与空腔15相对的一侧上。第一电极13和第二电极17彼此面对，在第一电极13和第二电极17之间具有空腔15，并且利用电压施加单元(未示出)在第一电极13和第二电极17之间施加电压。
[0021]机电变换器可以通过使用引出布线6从每个元件的第二电极17分开地检测电信号。尽管在本实施例中引出布线6被用于提取电信号，但是可以使用例如贯通布线。在本实施例中，为每个元件布置第一电极13和第二电极17两者，但是第一电极13或者第二电极17可以被用作共用的电极。在机电变换器包括多个元件的情况下，共用的电极被电连接到所有元件。同样在该情况下，每个元件的电信号可以被分开地提取，只要第一电极13或者第二电极17在元件与元件之间是分离的即可。
[0022]机电变换器的驱动原理
[0023]将描述根据本发明的方面的机电变换器的驱动原理。在由机电变换器接收超声波的情况下，电源单元(未示出)向第一电极13施加DC电压以便引起第一电极13与第二电极17之间的电势差。超声波的接收使具有第二电极17的振动膜弯曲，从而改变第二电极17与第一电极13之间的距离(在空腔15的深度方向上的距离)，导致电容变化。该电容变化引起引出布线6中的电流的流动。该电流由电流-电压转换装置(未示出)转换为电压，从而给出超声波的输入信号。如上所述，引出布线的配置可以被改变为使得DC电压被施加于第二电极17并且从每个元件的第一电极13中提取电信号。
[0024]在发送超声波的情况下，DC电压和AC电压分别被施加于第一电极13和第二电极17，并且静电力使振动膜振动。该振动发送超声波。同样在发送超声波的情况下，引出布线6的配置可以被改变为使得通过分别向第二电极17和第一电极13施加DC电压和AC电压来使振动膜振动。可替代地，DC电压和AC电压可以被施加于第一电极13或第二电极17，从而通过静电力使振动膜振动。
[0025]振动膜的频率特性和第一电极的表面粗糙度之间的关系
[0026]如上所述，在实施例中，第一电极具有6nm均方根(RMS)或更小的表面粗糙度值。现在将参考图3A和图3B描述振动膜的频率特性和第一电极的表面粗糙度之间的关系。在整个说明书中，表面粗糙度利用原子力显微镜(AFM)来测量并且被示出为粗糙度均方根(RMS)。RMS的测量面积是5μηι X 5μηι。用于测量的AFM是由Veeco Instruments Inc.制造的Nanoscope Dimens1n 3000。用作测量对象的机电变换器除了改变第一电极13的厚度之外具有与下述的示例I的机电变换器相同的配置。
[0027]图3A是示出在由钛制成的第一电极13的表面粗糙度和厚度之间的关系的曲线图。曲线图示出了在将钛厚度从50nm增大到200nm的同时通过将RF功率固定为550W来测量Rms时的结果。图3B是示出在第一电极13的表面粗糙度和振动膜的频率特性之间的关系的曲线图。该曲线图示出了如图3A中一样将钛厚度从50nm改变为200nm的同时测量振动膜的频率特性时的结果。
[0028]图3B示出了表面粗糙度与用于评价频率特性的变化的Q值的关系。Q值是代表振动状态的无量纲数，并且是通过将振动膜的谐振频率除以半带宽而获得的值。较高的Q值意味着，排列的单元结构2的各个振动膜的频率特性是均匀的，也就是说，振动膜的形状和电极之间的距离在单元结构2之间的变化较少。
[0029]利用由Agilent Technologies C0.，Ltd.制造的阻抗分析器4294A来测量频率特性。结果示出了，在第一电极的表面粗糙度为6nm或更小时Q值较高，诸如为200或更大，并且在大于6nm的表面粗糙度范围中Q值急剧地减小。在Q值为200或更大的范围中，曲线局部地具有不同的倾斜度。设想这是由阻抗分析器的不足的分辨能力所导致的。
[0030]从图3B可以理解，第一电极的表面粗糙度高度地影响振动膜的频率特性的变化，并且在表面粗糙度从6nm或更小的范围增大到比6nm高的范围时Q值显著地改变。该关系不依赖于第一电极的材料。由上可知，可以通过将第一电极的表面粗糙度值控制为6nm RMS或更小来减少振动膜的频率特性在单元或元件之间的变化。因此，要求尽可能地减小第一电极的表面粗糙度值。
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