电容型机电变换器的制造方法和电容型机电变换器的制作方法

专利名称：电容型机电变换器的制造方法和电容型机电变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用作超声变换器等的电容型机电变换器的制造方法，并且涉及电容 型机电变换器。
背景技术：
近年来，通过微细加工处理制造的电容型机电变换器已被积极研究(参见日本 专利申请公开No.2006-319712)。通常的电容型机电变换器具有下电极、被支撑以与下电 极保持给定的距离的膜片(隔膜)和被设置在膜片的表面上的上电极。这被称为例如电 容型微细加工超声变换器(CMUT)。上述的电容型微细加工超声变换器使用重量轻的膜片以发送并接收超声波， 并且容易获得在液体以及空气中具有优异的宽带特性的电容型微细加工超声变换器。 CMUT使得能够实现比常规医疗诊断更准确的诊断，并因此作为有前途的技术开始受到关注。描述电容型微细加工超声变换器的操作原理。为了传送超声波，在下电极和上 电极之间施加与微小的AC电压重叠的DC电压。这导致膜片振动，由此产生超声波。 当接收超声波时，膜片由于超声波变形，并且，变形导致下电极和上电极之间的电容变 化，从该电容变化检测信号。电容型机电变换器的理论灵敏度与其电极之间的距离(“间隙”)的平方成反 比(参见 IEEE Ultrasonic Symposium 1997，p.1609-1618)。据说，要制造高度灵敏的变 换器，必需IOOnm或更小的间隙，并且，最近已使得CMUT中的“间隙”窄至2 μ m IOOnm或更小。常用的在电容型机电变换器中形成“间隙”的方法包括在电极之间设置与希望 的间隙一样厚的牺牲层、在牺牲层的顶部上形成膜片并且然后去除牺牲层。在美国专利 No.6426582、日本专利申请公开No.2005_027186、日本专利申请公开No.H06_021611、 IEEE Transactionson Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.52, No.12, Dec.2005, p.2242-2258中公开了这种以及类似的技术。

发明内容
如上所述，为了提高电容型机电变换器的机电变换效率，希望在电极之间设定 窄的间隙。上述的美国专利No.6426582和日本专利申请公开No.2005_027186也提供关 于如何提高机电变换效率的具体建议。但是，由于随着“间隙”变得更窄牺牲层(由例如Si、SiO2或金属制成)的 去除变得越来越困难，因此在电极之间设定窄的间隙是不够的。例如，如在上述的 IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.52, No.12, Dec.2005, p.2242-2258所述，据说蚀刻处理在低温下花费几天到一周。但是，延长的蚀 刻剂浸入损伤电容型机电变换器的膜片并降低生产率。
为了将蚀刻速度设为更高，存在升高温度的对比方法。但是，由于伴随高温蚀 刻反应的气泡，软(机械强度低)的膜片可破裂，并由此存在生产率降低的可能性。由于蚀刻剂的扩散限制控制，因此，电极之间的间隙窄时的大面积牺牲层的蚀 刻的生产率低。因此，希望实现高速蚀刻。如果可缩短蚀刻掉牺牲层所需要的时间，那 么变换器制造的产量提高。蚀刻牺牲层需要设置使得蚀刻剂能够从外面到达牺牲层的入口。当蚀刻剂入 口的尺寸较大并存在更多的蚀刻剂入口时，换句话说，当牺牲层的露出表面较大时，蚀 刻速度较高。但是，在微机电变换器中设置大的孔或许多的孔作为蚀刻剂入口对初始机 械结构的性能造成不利的影响，并可损害变换器的设计性能、寿命、稳定性和可靠性。 例如，在电容型机电变换器的膜片中设置大的孔或许多的孔大大影响震动质量(seismic mass) >振动部分的应力、振动频率、振动节点和振动位移等。因此，希望使电容型机电 变换器中的蚀刻剂入口的尺寸和数量最小化。在日本专利申请公开NO.H06-021611中描述蚀刻牺牲层的另一方法，在该方法 中，通过向在蚀刻剂中流动的电流施加垂直方向磁场来蚀刻上电极和下电极之间的牺牲 层。但是，该方法要求牺牲层在其侧面上具有大的露出表面(蚀刻剂入口)并沿许多方 向被露出。当存在很少的蚀刻剂入口时，或者当蚀刻剂入口的尺寸小时，难以用该方法 获得明显的效果。如上所述，为了提高变换器的性能，电容型机电变换器需要形成薄且面积相对 大的牺牲层。但是，这种牺牲层的去除效率差，并且解决去除效率和变换器的性能、稳 定性和产量等之间的折衷关系是重要的目的。本发明提出可以在“间隙”相对较窄时以 相对较高的速度蚀刻牺牲层的电容型机电变换器的制造方法和构建为满足该目的的电容 型机电变换器。发明概述鉴于上述的问题，根据本发明，制造电容型机电变换器的第一方法具有以下的 特征。在基板上形成第一电极，在第一电极上形成具有引向第一电极的开口的绝缘层， 在绝缘层上形成牺牲层，在牺牲层上形成具有第二电极的膜片，并且，在膜片中设置作 为蚀刻剂入口的孔径。然后，蚀刻牺牲层以形成空腔。然后，密封用作蚀刻剂入口的孔 径。并且，通过经由开口、牺牲层和孔径使电流在第一电极和外部设置的对电极(counter electrode)之间流动的电解蚀刻，来执行蚀刻。并且，鉴于上述的问题，根据本发明，制造电容型机电变换器的第二方法具有 以下的特征。在基板上形成第一电极，在第一电极上形成绝缘层，在绝缘层上形成牺 牲层，在牺牲层上形成膜片，在膜片中设置包括用作蚀刻剂入口的孔径的多个孔径，并 且，在膜片上设置第二电极。然后，蚀刻牺牲层以形成空腔，并且，密封用作蚀刻剂入 口的孔径。并且，通过经由引向第二电极的膜片的多个孔径中的至少一个、牺牲层和用 作蚀刻剂入口的孔径使电流在第二电极和外部设置的对电极之间流动的电解蚀刻，来执 行蚀刻。并且，鉴于上述的问题，根据本发明，第一电容型机电变换器包括基板；在 基板上形成的第一电极；被设置在基板上的支撑体支撑的距第一电极一定距离的膜片， 在膜片和第一电极之间形成空腔；和设置在膜片上的第二电极。并且，第一电极和第二电极中的至少一个被绝缘层覆盖，密封部分被设置为引向膜片中的空腔的孔径并然后被 密封，并且，在绝缘层中形成引向第一电极和第二电极中的一个的孔径。并且，鉴于上述的问题，根据本发明，第二电容型机电变换器包括多个变换器 部分，每个变换器部分包括基板；在基板上形成的第一电极；被设置在基板上的支撑 体支撑的距第一电极一定距离的膜片，在膜片和第一电极之间形成空腔；和设置在膜片 上的第二电极。然后，第一电极和第二电极中的至少一个被绝缘层覆盖，并且，密封部 分被设置为引向多个变换器部分之中的第一变换器部分的膜片中的空腔的孔径，并然后 被密封。并且，在与第一变换器部分不同的第二变换器部分的绝缘层中形成引向第一电 极和第二电极中的一个的孔径，并且，第一变换器部分的空腔和第二变换器部分的空腔 通过设置在第一变换器部分和第二变换器部分之间的连接端口相互连接。根据本发明的形成上述的开口或孔径的制造方法，可以在不依赖于扩散限制控 制的情况下以相以较高的速度蚀刻牺牲层，并且，可以以有利的方式形成空腔。更具体 而言，可以在不大大增加开口或孔径的尺寸或数量的情况下通过第一电极或第二电极的 阳极电压，容易地使蚀刻速度保持恒定，或在高水平下恒定。由此，即使在大面积电容 型机电变换器(例如，CMUT)和具有多个变换器部分的阵列电容型机电变换器中，也提 高生产率(例如，更短的制造时间、生产率)和性能(例如，变换器性能的均勻性、更高 的变换器灵敏度)。参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。


图1是示出根据本发明的实施方式的电容型机电变换器的结构例子的截面视 图；图 2A、图 2B、图 2C、图 2D、图 2E、图 2F、图 2G、图 2H、图 21、图 2J、图
2K、图2L、图2M和图2N是根据本发明的实施方式和实施例的电容型机电变换器制造方 法的制造过程步骤示图；图3A是示出根据本发明的第二实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图， 图3B是示出根据本发明的第三实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图；图4A是示出根据本发明的第四实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图， 图4B是示出根据本发明的第五实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图；图5A是示出根据本发明的第六实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图， 图5B是示出根据本发明的第七实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图；图6是示出根据本发明的第八实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图；图7A和图7B是示出根据本发明的实施例的电容型机电变换器的结构例子的透 视平面视图；图8是示出根据本发明的实施例的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视 图；图9A和图9B是示出根据本发明的实施例的在阵列中布置空腔的具有多个变换 器部分的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视图；图IOA和图IOB是示出根据本发明的第九实施例的在阵列中布置空腔并在相邻
7的空腔之间设置连接端口的具有多个变换器部分的电容型机电变换器的结构例子的透视 平面视图；图11A、图IlB和图IlC是示出根据本发明的第十实施例的在阵列中布置空腔 并在相邻的空腔之间设置连接端口的具有多个变换器部分的电容型机电变换器的结构例 子的透视平面视图；图12A、图12B和图12C是示出根据本发明的第i^一实施例的通过刺穿基板的 后表面来设置蚀刻剂入口的电容型机电变换器的结构的截面视图；和图 13A、图 13B、图 13C、图 13D、图 13E、图 13F、图 13G、图 13H、图 131、 图13J和图13K是用于描述根据本发明的第十二实施例的电容型机电变换器的处理步骤的 截面视图。
具体实施例方式以下描述本发明的实施方式。图1是示出根据本发明的实施方式的电容型机电 变换器的基本结构的截面视图。在基板4上，设置第一绝缘膜5，并且然后设置具有低电阻的下电极8。在下电 极8上形成的膜片支撑体2支撑膜片3，并且通过包含开口 6的第二绝缘膜9被固定到基 板4。形成被基板4、膜片3和膜片支撑体2包围的空腔(空间)10。通过开口 6向空腔 10露出下电极8。通过焊盘7实现与下电极8的电连接。在膜片3的上表面上或内部设置上电极1。上电极1形成为面向下电极8并形成 本实施例的电容型机电变换器。在图1中没有示出上电极1的焊盘。通常，为了增加电容型机电变换器的机电变换系数，需要在变换器处于动作中 的同时在上电极1和下电极8之间施加DC偏压。DC偏压的作用导致静电引力以拉动上 电极1，从而导致膜片3的中央处的向下位移。但是，一 DC偏压超过给定的电压，膜片 3可能屈服(yield)并与第二绝缘膜9接触(即，崩溃(collapse))，这违背原意地降低机电 变换系数。该给定电压被称为崩溃电压。偏压被调整以避免崩溃。如上所述，本实施方式的电容型机电变换器包括基板4、在基板上形成的作为第 一电极的下电极8、被在基板上形成的支撑体2支撑的距第一电极一定距离并包含在其中 形成的空腔10的膜片3、和设置在膜片上的作为第二电极的上电极1。第一电极8和第 二电极1中的至少一个被绝缘层(由附图标记3或9表示)覆盖。膜片3具有被设置为 引向空腔10的孔径并然后被密封的密封部分。在绝缘层中形成引向第一电极或第二电极 的孔径。在图1的模式中，在绝缘层9中形成引向第一电极8的开口 6。在包括图5A 和图5B所示的例子的后面描述的例子中，在作为绝缘层的膜片3中形成引向第二电极1 的孔径24。可通过以下的制造方法制造如上述那样构建的电容型机电变换器。在基板4上 形成第一电极8。在第一电极上形成绝缘层9，在绝缘层中打开引向第一电极的开口 6。 在绝缘层上形成牺牲层。在牺牲层上形成具有第二电极1的膜片3。在膜片中作为蚀刻 剂入口设置孔径。牺牲层被蚀刻为形成空腔10，并且，密封作为蚀刻剂入口的孔径。通 过经由开口 6、牺牲层和孔径使电流在第一电极8和外部设置的对电极之间流动的电解蚀 刻，来执行上述的蚀刻。希望尽可能远地使开口 6和孔径相互分开。
也可以使用以下的制造方法(参见图5A和图5B)。在基板4上形成第一电极 8。在第一电极上形成绝缘层9。在绝缘层上形成牺牲层。在牺牲层上形成膜片3。在 膜片中打开包含作为蚀刻剂入口的孔径的多个孔径24。在膜片上设置第二电极1。牺牲 层被蚀刻为形成空腔10，并且，作为蚀刻剂入口的孔径被密封以形成密封部分20。通过 经由在膜片中开放并引向第二电极的孔径24、牺牲层和用作蚀刻剂入口的孔径使电流在 第二电极1和外部设置的对电极之间流动的电解蚀刻，来执行上述的蚀刻。同样，在该 方法中，希望尽可能远地使引向第二电极1的孔径和用作蚀刻剂入口的孔径相互分开。电容型机电变换器可被构建为包含多个图1所示的变换器部分。各变换器部分 具有基板4、在基板上形成的第一电极8、被在基板上形成的支撑体2支撑的距第一电极 一定距离并包含空腔10的膜片3、和设置在膜片上的第二电极1。第一电极8和第二电 极1中的至少一个被绝缘层(由附图标记3或9表示)覆盖。如图IOA和图IOB所示， 第一变换器部分的膜片具有设置为引向空腔10的孔径并然后被密封的密封部分20。在与 第一变换器部分分开的第二变换器部分的绝缘层中形成引向第一电极或第二电极的孔径 (由附图标记6或24表示)。第一变换器部分的空腔和第二变换器部分的空腔通过设置 在变换器部分之间的连接端口 25相互连接。可通过以下的制造方法制造被构建为包含多个器件部分的电容型机电变换器。 经由引向第一电极或第二电极的孔径、经由在第一和第二变换器部分中的空腔周围以及 在连接端口 25周围形成的牺牲层并经由用作蚀刻剂入口的孔径，执行电解蚀刻。在该 电解蚀刻中，使电流在第一电极或第二电极和外部设置的对电极之间流动，并且，牺牲 层被蚀刻以一并形成第一变换器部分的空腔和第二变换器部分的空腔。同样，在该方法 中，希望尽可能远地使引向第一电极或第二电极的孔径和用作蚀刻剂入口的孔径相互分 开。根据本实施方式的制造方法，可以在不依赖于扩散限制控制的情况下通过电解 蚀刻以相以较高的速度蚀刻牺牲层，并且，可以以有利的方式形成足够薄的空腔。更具 体而言，可在不使开口或孔径的尺寸或数量增加太多的情况下通过第一电极或第二电极 的阳极电压稳定地使蚀刻速度保持恒定，或在高水平下恒定。由此，即使在大面积电 容型机电变换器和阵列电容型机电变换器中，也实现更短的制造时间、均勻的变换器性 能、提高的变换器灵敏度和改进的生产率。(实施例)以下参照附图描述本发明的实施例。第一实施例图2A 2N是用于描述根据本发明的第一实施例的电容型机电变换器制造方法 的步骤的截面视图。为了简化以下的描述，“构图处理”指的是从包含将光刻胶施加到 基板上、干燥化、曝光和显影的光刻处理到依次执行的蚀刻处理、光刻胶去除、基板清 洗和干燥化处理的所有处理步骤。本实施例以基板4为Si的情况为例子，但是，可对于 基板使用其它的材料。例如，可以使用SiO2基板或蓝宝石基板。首先，在本实施例的制造方法中，如图2A所示，制备并清洗Si基板4。然后， 如图2B所示，将基板4放入热氧化炉中以形成Si氧化物膜，该Si氧化物膜形成第一绝 缘膜5。为了使机电变换器中的寄生电容保持低，希望第一绝缘膜5 (Si氧化物膜)的厚度为IOOnm或更厚、更希望为500nm或更厚、最希望为2000nm或更厚。可通过其它的 绝缘方法替代形成第一绝缘膜5的Si氧化物膜。例如，可以形成氮化物膜，或者，可以 设定对于反向偏压的PN结阱。如图2B所示，通过低压化学气相沉积(LPCVD)在第一绝缘膜5 (Si氧化物膜) 上形成掺杂多晶Si膜。掺杂多晶Si膜用作作为该变换器的第一电极的下电极8。下电 极8通过第一绝缘膜5与基板4电绝缘。为了在后面的步骤中的牺牲层的电解蚀刻期间 稳定地以高水平使蚀刻速度保持恒定，希望降低下电极8的电势降。因此，希望下电极 8的薄层电阻为20.0 Ω /或更低、更希望为5.0Ω/或更低，最希望为1.0Ω/或更低。在 本实施例中，作为第一电极的下电极8由此为在基板的表面上形成的导电膜。然后，如图2C所示，通过使用CF4气体等离子或氯气等离子的干蚀刻将下电极 8(掺杂多晶Si)构图。然后，如图2D所示，通过LPCVD或等离子增强化学气相沉积(PECVD)或溅射 方法，形成Si3N4膜作为第二绝缘膜9。下电极8的材料不限于掺杂多晶Si，并且可以为 其它的低电阻材料。其它选项的例子包含掺杂单晶Si基板、以掺杂阱区域为下电极的单 晶Si基板、掺杂非晶Si、氧化物半导体和下述的允许关于牺牲层11进行选择性蚀刻的金 属(例如，耐蚀刻金属)。然后，如图2Ε所示，通过使用CF4气体等离子的干蚀刻对用作第二绝缘膜9的 Si3N4膜进行构图，以由此在第二绝缘膜9中形成引向下电极8的开口 6。开口 6在本实 施例中置于后面描述的空腔的端部，但是，如后面描述的那样，可以使用其它的布置。然后，如图2F所示，形成牺牲层11并对其构图。为了在随后的牺牲层11的 电解蚀刻中稳定地使蚀刻速度恒定，希望牺牲层11中的电势降降低。考虑可通过当前微 细加工技术制造的变换器的尺寸，希望牺牲层11的电阻率为ΙΟ—Ω-·或更低、更希望为 10_3Ω_·或更低，最希望为10_5Ω_·或更低。因此，金属为牺牲层11的有利的材料。本实施例使用通过溅射方法形成的Cu膜作为牺牲层11。通过湿蚀刻对Cu膜 进行构图。可在该构图中使用的Cu蚀刻剂是包含FeCl3的蚀刻剂(例如，由Tnmsene Company, Inc.制造的CE-200蚀刻剂)或包含(NH4)2S2O8的蚀刻剂(例如，由Transene Company, Inc.制造的ASP-100蚀刻剂)。为了增强牺牲层11的粘性，希望在形成Cu 膜紧前形成具有约2nm 15nm的厚度的Ti膜。牺牲层11的厚度确定该变换器的最终的电极间距离(下电极8和后面描述的上 电极之间的距离)。随着牺牲层11变薄，变换器的机电变换系数变高。并且，过短的 电极间距离增加击穿的危险。因此，希望牺牲层11的厚度为5nm 4000nm、更希望为 IOnm lOOOnm、最希望为 20nm 500nm。然后，如图2G所示，通过PECVD形成Si3N4膜作为膜片3。由于由开口 6和牺 牲层11提供的水平差，因此，在形成膜片3的同时形成膜片支撑体2和膜片3的凹陷部 分23。从图2G可以看出，毫无例外地在开口 6正上方形成膜片3的凹陷部分23。在膜 片3为电介质物质的情况下，可以从用于膜片3的诸如SixNy膜、SixOy膜、SiNxOy膜、 Y203、HfO和HfAlO的电介质材料之中选择至少一种类型。如图2Η所示，在膜片3上形成上电极1并对其进行构图。在本实施例中，上电 极1是由选自金属、低电阻非晶Si、低电阻氧化物半导体的一种类型的材料形成的膜。
10
然后，如图21所示，通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)形成Si3N4膜作为 第三绝缘膜12。为了保护变换器，形成第三绝缘膜12。因此，可通过SiO2膜或SiOxNy 聚合物树脂膜(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜或聚对二甲苯膜)等替代用作第三绝缘 膜12的Si3N4膜。然后，如图2J所示，通过使用CF4气体等离子的干蚀刻，蚀刻用作膜片3、第二 绝缘膜9和第三绝缘膜12的Si3N4膜。由此形成作为膜片3的孔径的蚀刻剂入口 13以及 下电极8的焊盘7。通过CF4气体等离子，微干蚀刻是可能的，并且，可以在不损伤下电 极8的情况下形成下电极8的焊盘7。通过以牺牲层11为蚀刻阻止层的CF4气体等离子 蚀刻形成蚀刻剂入口 13。然后，如图2K所示，通过使用导电环氧树脂或通过接合，在下电极8的焊盘7 上设置电耦合器15。电耦合器15的外表面被硅酮树脂覆盖以与外面绝缘。电压源17然 后通过电气布线16在对电极18 (阴极)和电解蚀刻剂中的下电极8之间施加电压。对电 极18的有利材料为Pt、Ni或C等。此时，牺牲层11通过开口 6与下电极8电连接。 作为低电阻材料的牺牲层Il(Cu)中的电势降相对较小。牺牲层11的电势和下电极8的 电势因此具有大致相同的值。由此建立牺牲层11和下电极8为阳极且对电极18为阴极 的电路。注意，通过省略通常用于稳定电解蚀刻条件的诸如基准电极、安培计、电压 计、库仑计和可变电阻器的部分，简化图2K。在建立上述的电路结构之后，如图2K和图2L所示，在将变换器浸入电解蚀刻 剂中的同时，电解蚀刻反应从蚀刻剂入口 13开始。在牺牲层11是薄的并且通过不使用 电解反应的湿蚀刻被蚀刻的情况下，扩散限制控制立即停止蚀刻。但是，根据本实施 例的电解蚀刻方法，可以在相对短的时间段内去除下至引向下电极8的开口 6的牺牲层 Il(Cu)。在下表1中示出电解蚀刻条件的例子。表 1
成分组成Cu(NO3)2 · 2.5H200.5gNH4OH (浓度14.8N)20mlH2O30ml可通过例如为NaCl溶液的其它中性电解溶液，替代上述的电解蚀刻剂。为了减少在电解蚀刻的过程中产生的气泡，希望由电压源17在牺牲层11和对电 极18之间施加的电压的平均电压值为IV 10V、更希望为3V 5V。希望该电压的频 率为DC 10MHz、更希望为IOOHz 100kHz。为了防止牺牲层11的重新沉积，希望在牺牲层11和对电极18之间施加的电压 的最低值为-2V或更高、更希望为OV或更高。在完成上述的电解蚀刻之后，用去离子水清洗基板并然后使其变干。可以在该阶段中去除电压源17以及电耦合器15和电气布线16的一部分，或者，在随后的步骤不 包含在200°C或更高的温度下执行的处理的情况下将其留在适当的位置。本实施例描述了 去除电耦合器15和电气布线16的一部分的情况。然后，如图2M所示，通过PECVD形成Si3N4膜。该Si3N4膜密封蚀刻剂入口 13以形成密封部分20。密封处理可替代性地使用选自通过CVD或物理气相沉积(PVD) 形成的氮化物膜、氧化物膜、氧氮化物膜和聚合物树脂膜的至少一种类型的膜。通过该 处理得到的膜可被视为第三绝缘膜12的一部分。密封部分20密封空腔10，并因此希望密封Si3N4膜的厚度为牺牲层11的厚度的 一半或更厚，并且更希望其等于牺牲层11的厚度或更厚。通过该密封处理形成紧密密封 的空腔10。PECVD处理中的压力通常为0.1托 几十托。在用通过PECVD形成的Si3N4膜 密封的情况下，大气压力将膜片3下压并使膜片3变形为凹陷形状。可通过点火电极设 置、放电频率、气体成分和PECVD成膜装置的温度调整通过PECVD形成的Si3N4膜上的 应力。当该应力具有压缩性能时，存在膜片3被赋予凸形形状的可能性。图2M所示的 膜片3是水平的。密封Si3N4膜可被SiO2膜、SiOxNy膜或聚合物树脂膜代替。特别地，可以在低 温下形成例如为聚二甲基硅氧烷膜(PDMS膜)或聚对二甲苯(paylene)膜的聚合物树脂 膜，并因此允许电耦合器15和电气布线16的一部分保持在适当的位置。最后，如图2N所示，重新对下电极8的焊盘7进行构图，由此完成本实施例的 电容型机电变换器制造过程。为了简化图2N，没有在图2N中示出同样通过此时的构图 形成的上电极1的焊盘。通过对于图2G的膜片3、图21的第三绝缘膜12和形成密封部分20的图2M的 密封膜均使用绝缘Si3N4膜，简化本实施例的描述。当对于膜片3和第三绝缘膜12使用 相同的绝缘材料时，可以在总体上将一体化的膜片3和第三绝缘膜12视为膜片。图7A是示出通过上述的制造方法制造的本实施例的电容型机电变换器的结构例 子的透视平面视图。图7A所示的空腔10是矩形的，但是，空腔10可替代性地具有正 方形、圆形或多边形形状。在任一种情况下，在本实施例中，在空腔的一端设置引向下 电极8的第二绝缘膜9的开口 6，并且，在空腔的另一端设置蚀刻剂入口 13或密封部分 20。阳极(下电极8)和牺牲层11之间的接触点离蚀刻剂入口(或入口组)最远或足够 远，由此，蚀刻在整个牺牲层上均勻地发展。图7B和图8是示出空腔10为圆形时的本实施例的电容型机电变换器的结构例子 的透视平面视图。在图7B的例子中，蚀刻剂入口 13或密封部分20位于空腔的中央， 并且，引向下电极8的第二绝缘膜9的开口 6位于空腔的周边。该放置与图8的例子相 反。在这些例子中，位于空腔10的周边的第二绝缘膜9的开口 6或蚀刻剂入口 13不限 于图7B和图8所示的数量和形状，并且应被设计为适于各个情况。图9A和图9B是示出上述的电容型机电变换器形成变换器部分并且多个变换器 部分排列成阵列的结构例子的透视平面视图。这里，示出三个相邻的空腔10。在图9A 的例子中，蚀刻剂入口 13或密封部分20位于结构的中央，使得蚀刻剂入口 13或密封部 分20被共享，并且，引向下电极8的第二绝缘膜9的开口 6对于各空腔10位于最远离结构的中央的点。该放置与图9 B相反。在图9A的例子中，通过经由共享的蚀刻剂入口 13的电解蚀刻在制造过程中蚀刻 多个变换器部分的牺牲层11。在图9B的例子中，通过经由它们各自的蚀刻剂入口 13的 电解蚀刻在制造过程中蚀刻多个变换器部分的牺牲层11，而引向下电极8的第二绝缘膜9 中的开口6被所述三个共享。根据本实施例的以足够的距离形成开口或孔径的制造方法，可以在不依赖于扩 散限制控制并且不大大增加开口或孔径的尺寸和数量的情况下以相对较高的速度蚀刻薄 的牺牲层。由此可以以有利的方式形成薄的空腔。更具体而言，通过第一电极的阳极电 压，蚀刻速度可稳定地保持恒定，或者在高水平上保持恒定。第二实施例图3A是示出根据本发明的第二实施例的电容型机电变换器的截面视图。在本实 施例中，基板4用作下电极8。本实施例的变换器的制造过程几乎与第一实施例相同，但 是，由于不安装第一实施例的下电极8 (第一电极)和第一绝缘膜5，因此更为简单。在基板4自身用作下电极8的本实施例中，为了升高变换器的检测电流，应降低 变换器电路中的串联电阻。因此，希望用作下电极8的基板4的薄层电阻为1.0Ω/或更 低、更希望为0.1Ω/或更低、最希望为0.02 Ω /或更低。图3Α没有示出用作下电极8的 特定区域。为了电气隔离变换器，可以通过深反应离子蚀刻(DRIE)蚀刻该基板4。在 本实施例中，至少在表面上具有低电阻的基板由此还用作第一电极。虽然图3Α示出通过空腔10设置下电极8的焊盘7的例子，但是，可以在基板4 的后表面上设置下电极8的焊盘7。其余方面与第一实施例相同。第三实施例图3Β是示出根据本发明的第三实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，设置刺穿基板4的贯通布线导电部分22。本实施例的变换器的制造过程 几乎与第一实施例相同。可通过与通过热氧化形成的第一绝缘膜5相同的方式形成贯通布线导电部分22 的绝缘部分21。可以与下电极8类似地通过LPCVD从掺杂多晶Si形成贯通布线导电部 分22。如图3Β所示，下电极8的焊盘7因此可被引出到基板4的后表面。虽然示出本实施例的图3Β示出贯通布线导电部分22与下电极8连接的模式，但 是，可以使用贯通布线导电部分22不与下电极8接触但与上电极1连接的不同的布线模 式。其余方面与第一实施例相同。第四实施例图4Α是示出根据本发明的第四实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，引向下电极8的第二绝缘膜9中的开口 6处于空腔10的中央，并且，密 封部分20或蚀刻剂入口处于空腔10的周边。本实施例的变换器的制造过程几乎与第一 实施例相同。从示出本实施例的图4Α可以看出，在引向下电极8的第二绝缘膜9中的开口 6 正上方自然形成膜片3 (包含保护膜12)的凹陷部分23。图8是示出本实施例的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视图。在本例 子中，设置于空腔10的周边的密封部分20或蚀刻剂入口 13不限于图8所示的数量和形状，并且应被设计为适于各个情况。其余方面与第一实施例中相同。第五实施例图4B是示出根据本发明的第五实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，引向下电极8的第二绝缘膜9的开口 6处于空腔10的周边，并且，密封 部分20或蚀刻剂入口处于空腔10的中央。本实施例的变换器的制造过程几乎与第一实 施例相同。图7B是示出本实施例的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视图。在本例 子中，设置于空腔10的周边的第二绝缘膜9中的开口 6不限于图7B所示的数量和形状， 并且应被设计为适于各个情况。其余方面与第一实施例相同。第六实施例图5A是示出根据本发明的第六实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，密封部分20或蚀刻剂入口被设置在空腔10的一端，并且，引向上电极1 的开口 24位于空腔10的另一端。当在膜片3侧形成引向上电极1的开口 24时，通过与 对于构成第一实施例的第二绝缘膜9的氮化物膜使用的构图过程相同的构图过程对开口 24进行构图。同样，在本实施例的结构，上电极1的焊盘14与上电极1电耦合，这使得经由 上电极焊盘14的电解蚀刻变为可能。为了简化附图，在图5A中没有示出上电极1和上 电极焊盘14之间的电气布线。本实施例的下电极8被第二绝缘膜9覆盖。如第一实施例中那样，本实施例中 的密封部分20是密封蚀刻剂入口 13的部分。其余方面与第一实施例中相同。第七实施例图5B是示出根据本发明的第七实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，引向上电极1的膜片3中的开口 24处于空腔10的中央。本实施例的变 换器的制造过程几乎与第六实施例相同。为了简化附图，图5B也没有示出上电极1和上 电极焊盘14之间的电气布线。图8是示出本实施例的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视图。在本示 例中，位于空腔10的周边的密封部分20或蚀刻剂入口 13不限于图8所示的数量和形状， 并且应被设计为适于各个情况。其余方面与第一实施例中相同。第八实施例图6是示出根据本发明的第八实施例的电容型机电变换器的结构的截面视图。 在本实施例中，引向上电极1的膜片3中的开口 24处于空腔10的周边。本实施例的变 换器的制造过程几乎与第六实施例相同。为了简化附图，图6也没有示出上电极1和上 电极焊盘14之间的电气布线。图7B是示出本实施例的电容型机电变换器的结构例子的透视平面视图。在本例 子中，位于空腔10的周边并引向上电极1的膜片3中的开口 24不限于图7B所示的数量 和形状，并且应被设计为适于各个情况。其余方面与第一实施例相同。虽然上述的图1 6示出两个相邻的变换器部分的空腔10周围的结构，但是， 也可通过在基板上规则或周期性布置在这些图中示出的各结构原理的变换器部分，在各 实施例中制造大面积的变换器阵列。阵列的结构和制造方法基本上与上述的那些相同，并且容易从上述的描述想到。图9A和图9B类似地为示出三个相邻的变换器部分的空腔10的结构例子的透视 平面视图。在这些结构例子中，也通过在基板上规则或周期性布置在上述的图中示出的 各结构原理的变换器部分，制造大面积变换器阵列。上述的实施例中的振动部分是包含膜片3、上电极1、第三绝缘膜12和密封膜等 的叠层膜。虽然为了便于描述在上述的实施例中例如将保护膜12描述为与膜片3分开的 膜，但是，实际上，上电极1正下方的膜可被视为绝缘膜，而第三绝缘膜12等被视为膜 片3的一部分。因此，能够在描述中颠倒膜片3和第三绝缘膜12的空间布置。例如， 图3A和图3B中的附图标记3可表示第三绝缘膜，而图3A和图3B中的附图标记12表示 膜片。第九实施例图IOA和图IOB是示出根据本发明的第九实施例的电容型机电变换器的结构例 子的透视平面视图。这里，变换器部分的空腔10被布置成阵列，并且，连接端口 25被 设置在相邻的空腔10之间。换句话说，包含其中连接端口连接第一空腔和第二空腔的结 构。如图IOA和图IOB所示，密封部分20或蚀刻剂入口 13位于变换器阵列的一端， 而绝缘层开口 6或24位于变换器阵列的另一端，并且，在变换器部分的膜片支撑体2中 形成孔径或连接端口 25。根据本实施例，当并行地在基板上布置变换器部分时(图IOA的例子)或者当串 行地布置时(图IOB的例子)，建立从蚀刻剂入口 13到引向电极(阳极)的绝缘膜开口 6或24的蚀刻剂通道。由此可稳定地以高速度蚀刻牺牲层。得到的效果为例如在膜片3 中形成的孔径的数量的减少以及因此电容型机电变换器的更稳定的机械特性。在制造大面积变换器阵列时，多个变换器部分的布置不限于图IOA和图IOB的 布置例子，并且，可以灵活地布置变换器部分以使其适于各个情况。其余方面与第一实 施例相同。第十实施例图IlA IlC是示出根据本发明的第十实施例的电容型机电变换器的结构例子 的透视平面视图。图IlA示出如第九实施例那样在单个行中布置变换器部分的多个空腔 10并且在相邻的空腔10之间设置连接端口 25的结构。换句话说，包含其中连接端口连 接第一空腔和第二空腔的结构。与第九实施例的不同在于，每行存在比第九实施例多的 相邻空腔，并且，相互邻近地形成分别包含这些空腔的多个空腔行26。如图IlA所示，密封部分20或蚀刻剂入口 13位于变换器阵列的一端，而绝缘层 开口 6或24位于变换器阵列的另一端，并且，在变换器部分的膜片支撑体2中形成孔径 或连接端口 25。如图IlB所示，可以相互平行地布置分别具有由上述的连接流路链接的空腔的 空腔行26。在设计变换器时，如图IlB示出的那样平行布置的空腔行26的集合被称为单元 件27。使得构成单元件的变换器的上电极在电气上相互共有，并类似地使得变换器的下 电极相互共有。通过这样构建，单元件用作超声图像中的单一像素。这些元件二维排列成多个行以通过从元件的集合获得的电信号形成超声图像。在图IlB中，优选作为由上 述的连接端口(也称为流路)链接的多个空腔的组的各单个集合26单独地使用流路。但 是，也能够通过用连接端口连接相邻的空腔行26，在整个单元件上构建共同的流路。图IlC是将图IlB的单元件布置成阵列使得二维设置第η个元件28和第(η+1) 个元件29的概念图。本发明还能够从元件阵列形成3D (三维)超声图像。在制造大面积变换器阵列时，多个变换器部分的布置不限于图IlA IlC的布 置例子，并且，可以使用任意的布置以满足需要。第十一实施例图12Α 12C是示出根据本发明的第十一实施例的电容型机电变换器的结构的 截面视图。本实施例示出蚀刻剂入口 13以刺穿的方式被设置为从基板的后表面达到牺牲层 的例子。在本实施例的变换器的制造过程中，除了在去除牺牲层11之前通过深反应离子 蚀刻(RIE)从基板4的后表面形成蚀刻剂入口 13以外，图12Α所示的第一制造过程步骤 与第六实施例的图5Α相同。通过用SF6气体等离子蚀刻基板4(例如，Si晶片)并通过用作蚀刻阻止层的第一 绝缘膜(例如，热氧化物膜5)阻止蚀刻，形成蚀刻剂入口 13。然后执行使用CHF3气体 或CF4气体等的等离子蚀刻，以蚀刻第一绝缘膜(例如，热氧化物膜5)、下电极(例如， 重度掺杂杂质的Si)和第二绝缘膜(例如，Si3N4膜)，直到到达牺牲层(例如，Cu)。随后的步骤与第一实施例中相同，并且，如图12Β所示，通过经由蚀刻剂入口 13的电解蚀刻去除牺牲层11并使其变干。在执行电解蚀刻过程时，上电极1通过上电极焊盘14与电源(恒电位仪 (potentiostat))的阳极连接。然后将基板4浸入上述的电解蚀刻剂，并且，电解蚀刻剂从 基板4的后表面通过深RIE流入蚀刻剂入口 13中。然后，使电流在上电极1和与外面的 电解蚀刻剂接触的对电极之间流动，并且，通过电解蚀刻来蚀刻与上电极1接触的牺牲 层11。下电极8暴露于电解蚀刻剂，但是，由于不向下电极8施加电势，因此下电极8 不被蚀刻。最后，如图12C所示，在基板4的后表面上形成具有电绝缘性能的单层作为密封 膜30 (例如，Si3N4或SiO2)以密封空腔10。为了完全密封开口，希望密封膜30的厚度等于或厚于牺牲层11的厚度，更希望 它为牺牲层11的厚度的1.2倍或更厚。通过如本实施例那样在基板的后表面上设置蚀刻剂入口，使得不再需要在电容 型机电变换器的顶侧设置密封部分(特别是膜片)。由此提高前表面上的电容型机电变换 器的平坦性。并且，在膜片中没有密封部分的事实大大提高变换器的寿命和可靠性。第十二实施例图13A 13K是示出根据本发明的第十二实施例的电容型机电变换器制造方法 的处理步骤的截面视图。本实施例的变换器制造过程与第一实施例类似。与第一实施例的不同在于，作为导电基板的替代，使用具有绝缘性能的基板(例如，玻璃)。如图13A所示，制备并清洗基板4(例如，具有4英寸的直径的玻璃基板)。然 后，如图13B所示，设置刺穿基板4的贯通布线导电部分22。具有基板刺穿布线的基板可以是市售的基板。例如，当利用感光玻璃(PEG3， HOYA CORPORATION的产品)时，打开基板刺穿孔并通过电镀用金属(Cu或Ni)填充 它。在形成金属贯通布线之后，通过化学机械抛光(CMP)抛光基板表面以形成具有基板 刺穿布线的基板。为了使电容型变换器具有与本发明的性能相同的性能，基板的表面粗 糙度是非常重要的，并且，希望平均表面粗糙度Ra为IOnm或更小、更希望为2nm或更 小。关于电气布线的台阶覆盖范围，希望基板刺穿布线22的露出表面和基板4的表面之 间的水平差为1 μ m或更小、更希望为0.2 μ m或更小。作为替代方案，可通过DRIE蚀刻并刺穿Si基板，以通过热氧化或低压化学气 相沉积(LPCVD)形成基板刺穿布线部分22。在这种情况下，可通过热氧化形成贯通布 线导电部分22的绝缘体，并且，也可通过LPCVD从掺杂多晶Si形成贯通布线导电部分 22。本实施例以上述的玻璃基板作为例子。图13C 13F的成膜、构图、蚀刻和其它的处理与在第一实施例中描述的图 2A 2N的相应处理相同。随后，如图13G所示，在基板4的后表面上形成例如Ti的单 层作为导电膜37(厚度为lOOnm)。然后使用一侧蚀刻夹具(未示出)以形成电气连接， 使得基板的后表面上的导电膜37与工作电极34接触。然后，如第一实施例那样，将基 板浸入电解溶液中以通过经由导电膜37和基板刺穿布线22的电解蚀刻，蚀刻与下电极8 接触的牺牲层11。随后的步骤与第一实施例相同，并且，电解蚀刻之后是干燥处理，以如图13H 中所示的那样形成向空气开放的空腔10。下一步骤与第一实施例中相同，并且，如图131所示，用诸如SiNx或SiO2的绝 缘膜通过PECVD密封蚀刻剂入口 13，以形成密封部分20。然后，为了形成连接基板刺 穿布线和上电极的连接布线部分38，通过RIE打开孔径。如图13J所示，通过形成并构 图金属层，形成连接上电极1和基板刺穿布线22的布线部分38。下一步骤与第一实施例相同，并且，如图13K所示，在上电极1的顶部设置具有 绝缘性能的保护膜12。最后，基板4的后表面上的导电膜37被构图以在基板的后表面上 形成基板刺穿布线焊盘39。如图13K所示，可由此将下电极8和上电极1引出到基板4 的后表面。在高密度变换器阵列的制造中，该方法是特别重要的。虽然示出本实施例的图13K示出刺穿布线导电部分22与下电极8和上电极1连 接的模式，但是，可以使用下电极8和上电极1中的一个与刺穿布线导电部分22连接而 另一电极被弓I出到基板的前表面的不同的布线模式。虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例 性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同 的结构和功能。本申请要求在2008年5月2日提交的日本专利申请No.2008_120391和在2009 年3月11日提交的日本专利申请No.2009-057263的益处，在此通过引用并入它们的全部内容。
权利要求
1.一种电容型机电变换器的制造方法，包括 在基板上形成第一电极；在第一电极上形成绝缘层，该绝缘层具有引向第一电极的开口 ； 在绝缘层上形成牺牲层； 在牺牲层上形成膜片，该膜片具有第二电极； 设置从外面引向牺牲层的孔径作为蚀刻剂入口； 蚀刻牺牲层以形成空腔；和 密封用作蚀刻剂入口的孔径，其中，通过经由开口、牺牲层和孔径使电流在第一电极和外部设置的对电极之间流 动的电解蚀刻，来执行蚀刻。
2.根据权利要求1的电容型机电变换器的制造方法，其中，在膜片中形成孔径。
3.根据权利要求1或2的电容型机电变换器的制造方法，其中，膜片的孔径位于空腔 的一端，而绝缘层的开口位于空腔的另一端。
4.根据权利要求1或2的电容型机电变换器的制造方法，其中，膜片的孔径和绝缘层 的开口中的一个位于空腔的中央，而膜片的孔径和绝缘层的开口中的另一个位于空腔的 周边。
5.根据权利要求1或2的电容型机电变换器的制造方法，其中， 空腔包含第一空腔和通过连接端口与第一空腔连接的第二空腔；和通过将蚀刻剂从连接端口引入第一空腔和第二空腔中的至少一个来进行蚀刻。
6.根据权利要求1或2的电容型机电变换器的制造方法，其中，基板包含半导体基板 和玻璃基板中的一个。
7.—种电容型机电变换器的制造方法，包括 在基板上形成第一电极；在第一电极上形成绝缘层； 在绝缘层上形成牺牲层； 在牺牲层上形成膜片；在膜片中设置包括用作蚀刻剂入口的孔径的多个孔径； 在膜片上设置第二电极； 蚀刻牺牲层以形成空腔；和 密封用作蚀刻剂入口的孔径，其中，通过经由引向第二电极的膜片的多个孔径中的至少一个、牺牲层和用作蚀 刻剂入口的孔径使电流在第二电极和外部设置的对电极之间流动的电解蚀刻，来执行蚀 刻。
8.根据权利要求7的电容型机电变换器的制造方法，其中，设置为膜片中的蚀刻剂入 口的孔径位于空腔的一端，而引向第二电极的膜片的多个孔径中的所述至少一个位于空腔的另一端。
9.根据权利要求7的电容型机电变换器的制造方法，其中，设置为膜片中的蚀刻剂 入口的孔径和引向第二电极的膜片的多个孔径中的所述至少一个中的一个位于空腔的中 央，而设置为膜片中的蚀刻剂入口的孔径和引向第二电极的膜片的多个孔径中的所述至少一个中的另一个位于空腔的周边。
10.根据权利要求7 9中的任一项的电容型机电变换器的制造方法，其中，基板包 含半导体基板和玻璃基板中的一个。
11.一种电容型机电变换器，包括 基板；在基板上形成的第一电极；被设置在基板上的支撑体支撑的距第一电极一定距离的膜片，在膜片和第一电极之 间形成空腔；和设置在膜片上的第二电极，其中，第一电极和第二电极中的至少一个被绝缘层覆盖；膜片包括在其中形成的被设置为引向空腔的孔径并然后被密封的密封部分；并且， 绝缘层包括在其中形成的引向第一电极和第二电极中的一个的孔径。
12.一种包括多个变换器部分的电容型机电变换器，每个变换器部分包括 基板；在基板上形成的第一电极；被设置在基板上的支撑体支撑的距第一电极一定距离的膜片，在膜片和第一电极之 间形成空腔；和设置在膜片上的第二电极， 其中，第一电极和第二电极中的至少一个被绝缘层覆盖，所述多个变换器部分之中的第一变换器部分的膜片包括在其中形成的被设置为引向 空腔的孔径并然后被密封的密封部分；与第一变换器部分不同的第二变换器部分的绝缘层包括在其中形成的引向第一电极 和第二电极中的一个的孔径；并且，第一变换器部分的空腔和第二变换器部分的空腔经由设置在第一变换器部分和第二 变换器部分之间的连接端口相互连接。
13.根据权利要求11或12的电容型机电变换器，其中，膜片也用作绝缘层。
14.根据权利要求11或12的电容型机电变换器，其中，基板包含半导体基板和玻璃 基板中的一个。
15.根据权利要求12的电容型机电变换器的制造方法，包括经由设置在绝缘层中的引向第一电极和第二电极中的一个的孔径，经由在第一变换 器部分的空腔、第二变换器部分的空腔周围和在连接端口周围形成的牺牲层，并经由引 向空腔并用作蚀刻剂入口的孔径，执行其中使电流在第一电极和第二电极中的所述一个 和外部设置的对电极之间流动的电解蚀刻；和蚀刻牺牲层以形成第一变换器部分中的空腔和第二变换器部分中的空腔。
16.一种电容型机电变换器的制造方法，包括以下步骤 在基板上形成第一电极；在第一基板上形成牺牲层，使得牺牲层的至少一部分保持与第一电极接触； 在牺牲层上形成膜片；在膜片上形成第二电极；和在将作为蚀刻剂入口设置为从外面引向牺牲层的蚀刻开口浸入电解蚀刻剂的同时， 使电流在用作用于电解蚀刻的电极中的一个的第一电极和与电解蚀刻剂接触的用作另一 电极的外部设置的电极之间流动，并且，通过电解蚀刻来蚀刻牺牲层以在已去除牺牲层 的位置中形成空腔。
17.根据权利要求16的电容型机电变换器的制造方法，其中， 在第一电极和牺牲层之间形成具有孔径的绝缘层；并且， 通过孔径在第一电极和牺牲层之间建立导电。
全文摘要
在电容型机电变换器的制造方法中，在基板(4)上形成第一电极(8)，在第一电极(8)上形成具有引向第一电极的开口(6)的绝缘层(9)，并且，在绝缘层上形成牺牲层。在牺牲层上形成具有第二电极(1)的膜片(3)，并且，在膜片中设置作为蚀刻剂入口的孔径。蚀刻牺牲层以形成空腔(10)，并且然后密封用作蚀刻剂入口的孔径。通过经由开口(6)和膜片的孔径使电流在第一电极(8)和外部设置的对电极之间流动的电解蚀刻，来执行蚀刻。
文档编号B81B3/00GK102015127SQ200980115089
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月28日 优先权日2008年5月2日
发明者张建六 申请人:佳能株式会社