機(jī)電換能器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機(jī)電換能器及其制造方法。所述機(jī)電換能器包括：第一電極、被設(shè)置在第一電極上的硅氧化物膜、以及包含被設(shè)置于硅氧化物膜上使得其間具有間隙的硅氮化物膜和被設(shè)置于硅氮化物膜上以與第一電極相對(duì)的第二電極的振動(dòng)膜。
【專利說明】機(jī)電換能器及其制造方法
[0001 ] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01210099693.5、申請(qǐng)日為2012年4月6日、發(fā)明名稱為“機(jī)電換能器及其制造方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]實(shí)施例的一個(gè)公開的方面涉及機(jī)電(electromechanical)換能器和制造該換能器的方法。更具體而言，一個(gè)實(shí)施例涉及被用作超聲換能器的機(jī)電換能器和制造該換能器的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]作為壓電器件的替代，已研究了通過微加工技術(shù)制造的電容型機(jī)電換能器。在電容型機(jī)電換能器中，構(gòu)成元件的絕緣膜的帶電改變?cè)趯?duì)向的電極之間施加的有效電壓，由此，轉(zhuǎn)換效率變化。這里的轉(zhuǎn)換效率是將振動(dòng)膜的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的效率。隨著施加的電壓增大，或者，隨著電極之間的距離減小，轉(zhuǎn)換效率增大。單元(cell)或元件之間的轉(zhuǎn)換效率的變化導(dǎo)致機(jī)電換能器的靈敏度和帶寬的變化。
[0004]日本專利公開N0.2008-288813描述了這樣的機(jī)電換能器:在該機(jī)電換能器中，防止設(shè)置在電極之間的絕緣膜的電荷存儲(chǔ)(帶電)，并且同時(shí)提高上電極和下電極之間的絕緣膜的耐壓性。在日本專利公開N0.2008-288813中描述的機(jī)電換能器中，與下電極接觸的絕緣膜是娃氧化物(siIicon oxide)膜，并且，與上電極接觸的間隙(space)側(cè)的絕緣膜(膜片(membrane))也是硅氧化物膜。硅氧化物膜幾乎不累積電荷，由此，這種配置可防止帶電。另夕卜，在下電極和上電極之間設(shè)置娃氮化物(silicon nitride)膜。娃氮化物膜的相對(duì)介電常數(shù)比硅氧化物膜的相對(duì)介電常數(shù)高，因此，可具有更大的厚度以提供與絕緣膜的電容相同的電容。因此，這種配置可增強(qiáng)介電強(qiáng)度(dielectric strength)。
[0005]但是，硅氧化物膜具有壓縮應(yīng)力。在如在日本專利公開N0.2008-288813中那樣為了防止帶電而使用硅氧化物膜作為與上電極接觸的間隙側(cè)的膜片的情況下，振動(dòng)膜由于例如屈曲(buckling)而高度地彎曲。如果彎曲量大，那么振動(dòng)膜在一些情況下可能被破壞。在硅氧化物膜的情況下，振動(dòng)膜的彎曲程度也趨于在單元或元件之間變化。振動(dòng)膜之間的彎曲的變化導(dǎo)致元件之間的靈敏度的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，一個(gè)實(shí)施例提供其中防止元件的帶電而且振動(dòng)膜還具有低的拉應(yīng)力(tensile stress)的機(jī)電換能器，并且，一個(gè)實(shí)施例還提供制造該換能器的方法。
[0007]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的機(jī)電換能器包括:第一電極;被設(shè)置于第一電極上的娃氧化物膜；以及包含硅氮化物膜和被設(shè)置于硅氮化物膜上以與第一電極相對(duì)的第二電極的振動(dòng)膜，所述硅氮化物膜被設(shè)置于硅氧化物膜上，并且在所述硅氮化物膜和所述硅氧化物膜之間具有間隙。
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的制造機(jī)電換能器的方法包括:在第一電極上形成硅氧化物膜;在硅氧化物膜上形成犧牲層;在犧牲層上形成硅氮化物膜;在硅氮化物膜上形成第二電極；以及在硅氮化物膜中形成蝕刻孔并通過蝕刻孔去除犧牲層。
[0009]—個(gè)實(shí)施例可提供其中防止元件帶電、防止振動(dòng)膜大大地彎曲并且減少元件之間的振動(dòng)膜的彎曲的變化的機(jī)電換能器。該實(shí)施例還提供制造這種機(jī)電換能器的方法。
[0010]參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。
【附圖說明】
[0011]圖1A是示出可應(yīng)用根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的例子I的機(jī)電換能器的頂視圖。
[0012]圖1B是沿圖1A的線IB-1B切取的機(jī)電換能器的斷面圖。
[0013]圖2A是示出可應(yīng)用根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的例子2的機(jī)電換能器的頂視圖。
[0014]圖2B是沿圖2A的線IIB-1IB切取的機(jī)電換能器的斷面圖。
[0015]圖3是示出可應(yīng)用根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的例子3的制造機(jī)電換能器的方法的頂視圖。
[0016]圖4A?圖4F是沿圖3的線IV-1V切取的斷面圖，用于示例可應(yīng)用本發(fā)明的例子3的制造機(jī)電換能器的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0018]機(jī)電換能器的配置
[0019]圖1A是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的機(jī)電換能器的頂視圖，并且，圖1B是沿圖1A的線IB-1B切取的斷面圖。機(jī)電換能器包括多個(gè)元件2，每個(gè)元件2具有單元結(jié)構(gòu)I。元件2由相互電連接的多個(gè)單元結(jié)構(gòu)I構(gòu)成。在圖1A中，每個(gè)元件2由9個(gè)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成，但是，單元結(jié)構(gòu)的數(shù)量不被特別限制。圖1A所示的機(jī)電換能器具有4個(gè)元件，但是，元件的數(shù)量不被特別限制。圖1A所示的單元結(jié)構(gòu)I為圓形，但是，它們可以為例如正方形或六角形。
[0020]單元結(jié)構(gòu)I包含基板11、被設(shè)置在基板11上的第一絕緣膜12、被設(shè)置在第一絕緣膜
12上的第一電極13、以及被設(shè)置在第一電極13上的第二絕緣膜14。單元結(jié)構(gòu)I還包含由膜片15和第二電極4構(gòu)成的振動(dòng)膜。膜片15由膜片支撐部分16支撐。振動(dòng)膜被布置于第二絕緣膜14上，使得在振動(dòng)膜和第二絕緣膜之間具有作為間隙的空腔3。第一電極13和第二電極4彼此相對(duì)，并且，通過電壓施加單元17在第一電極13和第二電極4之間施加電壓。機(jī)電換能器可通過使用引線6從各元件的第二電極4分開地(separately)提取電信號(hào)。雖然在本實(shí)施例中對(duì)于提取電信號(hào)使用引線6，但是，例如，可以使用貫通布線(through-wiring)。在本實(shí)施例中，使用第一電極13作為共用電極，并且，對(duì)于各元件設(shè)置第二電極4以從各元件的第二電極4提取電信號(hào)。該配置可以反過來，使得使用第二電極4作為共用電極，并且，對(duì)于各元件設(shè)置第一電極13以提取各元件的電信號(hào)。
[0021]機(jī)電換能器的驅(qū)動(dòng)原理
[0022]將描述根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器的驅(qū)動(dòng)原理。在通過機(jī)電換能器接收超聲波的情況下，電壓施加單元17向第一電極13施加DC電壓以在第一電極13和第二電極4之間導(dǎo)致電勢(shì)差。超聲波的接收使具有第二電極4的振動(dòng)膜彎曲，從而改變第二電極4與第一電極13之間的距離(空腔3的沿深度方向的距離)，從而導(dǎo)致電容的改變。電容的該改變導(dǎo)致電流在引線6中流動(dòng)。該電流通過電流-電壓轉(zhuǎn)換器件(未示出)被轉(zhuǎn)換成電壓，以給出超聲波的輸入信號(hào)。如上所述，可改變引線的配置，使得向第二電極4施加DC電壓并且從各元件的第一電極13提取電信號(hào)。
[0023]在傳送超聲波的情況下，分別向第一電極13和第二電極4施加DC電壓和AC電壓，并且，靜電力使具有膜片15和第二電極4的振動(dòng)膜振動(dòng)。該振動(dòng)傳送超聲波。同樣，在傳送超聲波的情況下，可改變引線6的配置，使得向第二電極4施加DC電壓并且向第一電極13施加AC電壓，以使振動(dòng)膜振動(dòng)。
[0024]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的機(jī)電換能器的特性(characteristic)
[0025]將描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的機(jī)電換能器的特性部分。在一個(gè)實(shí)施例的機(jī)電換能器中，使用硅氮化物膜作為膜片15。在硅氮化物膜中，應(yīng)力控制是容易的。例如，可用諸如大于等于OMPa且小于等于300MPa的范圍中的低拉應(yīng)力形成硅氮化物膜。因此，可以防止振動(dòng)膜因硅氮化物膜的殘余應(yīng)力而大大地變形。另外，硅氮化物膜的使用可減少單元或元件之間的在振動(dòng)膜的彎曲和機(jī)械特性方面的變化。特別地，在通過低應(yīng)力形成的用作膜片的娃氮化物膜中，娃與氮的比可以為3:4或更大，其中3:4是化學(xué)上(chemicalIy)理想的膜片組成(化學(xué)計(jì)量比(stoich1metry))。
[0026]在根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器中，第一電極13上的第二絕緣膜14是硅氧化物膜。硅氧化物膜與第一電極13之間的勢(shì)皇高度比硅氮化物膜與第一電極13之間的勢(shì)皇高度高，由此，電荷難以在硅氧化物膜中流動(dòng)。這里，更高的勢(shì)皇高度意味著，電荷更難以在第一電極與絕緣膜之間的界面處移動(dòng)，因此，電流更難以流動(dòng)。在根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器中，由于第一電極13上的第二絕緣膜14是硅氧化物膜，因此，電荷的移動(dòng)少，從而導(dǎo)致帶電減少。
[0027]特別地，第一電極13上的硅氧化物膜中的硅與氧的比可接近化學(xué)計(jì)量比，8卩1:2。在具有接近化學(xué)計(jì)量比的組成的娃氧化物膜的情況下，娃與氧的懸掛鍵(dangling bond)的數(shù)量少，由此，在硅氧化物膜中幾乎捕獲不到電荷。因此，進(jìn)一步防止機(jī)電換能器帶電。
[0028]但是，具有接近化學(xué)計(jì)量比的硅氧化物膜趨于具有壓縮應(yīng)力。因此，在這里的配置中，用于防止帶電的硅氧化物膜被設(shè)置在第一電極上，并且，該膜不被用作空腔側(cè)的第二電極上的膜片。因此，可以抑制振動(dòng)膜大大地變形，并由此可防止帶電。
[0029]如上所述，在通過低應(yīng)力形成用作膜片的硅氮化物膜的情況下，硅與氮的比可比化學(xué)計(jì)量比(即，3:4)高。因此，硅與氮的懸掛鍵的數(shù)量增加，由此，容易在硅氮化物膜中捕獲電荷，從而導(dǎo)致容易出現(xiàn)帶電。但是，在根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器中，用于防止帶電的硅氧化物膜被設(shè)置在第一電極上，由此，即使使用硅氮化物膜作為膜片，也可減少帶電。
[0030]上面描述的配置可抑制振動(dòng)膜大大地變形，可減少單元或元件之間的在振動(dòng)膜的彎曲方面的變化，并且還可減少機(jī)電換能器的帶電。
[0031]將描述機(jī)電換能器的各部件的例子。根據(jù)本發(fā)明的方面的基板11可以是具有低的表面粗糙度(roughness)的基板，并且可以為例如硅基板或玻璃基板。在使用諸如硅基板的導(dǎo)電基板作為基板11的情況下，基板11也可用作第一電極13。在使用諸如玻璃基板的絕緣基板作為基板11的情況下，可以不設(shè)置第一絕緣膜12。
[0032]第一電極13可由例如鈦或鋁的具有低的表面粗糙度的導(dǎo)電材料制成。
[0033]如果第二電極4具有高的殘余應(yīng)力(residual stress)，那么振動(dòng)膜大大地變形。因此，第二電極4應(yīng)由具有低的殘余應(yīng)力的材料制成。另外，第二電極4應(yīng)由不因后面描述的制造過程中的用于密封蝕刻孔5的膜形成中的溫度或其它條件而劣化或增加應(yīng)力的材料制成。此外，第二電極4應(yīng)由具有耐蝕刻性(etching resistance)使得可以在第二電極露出的狀態(tài)下執(zhí)行犧牲層的蝕刻的材料制成。因此，例如，可以使用鈦。
[0034]將描述根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器的驅(qū)動(dòng)形式。在本發(fā)明中，電壓施加單元17可以按照第一電極13的電勢(shì)比第二電極4的電勢(shì)低的方式施加電壓。與電子從第二電極4的與硅氮化物膜接觸的一側(cè)流入的情況下相比，在電子從第一電極13的與硅氧化物膜接觸的一側(cè)流入的配置中，電子流入量少。因此，累積于硅氧化物膜或硅氮化物膜中的電荷的量可減少。因此，可通過該配置進(jìn)一步減少機(jī)電換能器的帶電。
[0035]此外，向硅氮化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度可以為2MV/cm或更小。在這種配置中，硅氮化物膜中的傳導(dǎo)(conduct1n)幾乎為歐姆的(Ohmic)，由此，不因電場(chǎng)強(qiáng)度的施加而出現(xiàn)大電流的突然流動(dòng)。因此，電荷不突然地移動(dòng)，從而導(dǎo)致進(jìn)一步防止帶電。這里的歐姆傳導(dǎo)指的是電流與施加的電壓成比例地流動(dòng)。特別地，在膜片15與第一電極13上的第二絕緣膜14接觸的情況下，由于硅氮化物膜的相對(duì)介電常數(shù)比硅氧化物膜的相對(duì)介電常數(shù)高，因此，向硅氮化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度比向硅氧化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度高。在該配置中，向硅氮化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度為2MV/cm或更小，這可防止帶電。電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)硅氮化物膜的厚度、施加的電壓、間隙或硅氧化物膜的厚度而改變。因此，在施加200V或更小的電壓的情況下，硅氧化物膜可具有50?200nm的厚度，并且，用作第一膜片的硅氮化物膜可具有300?800nm的厚度。
[0036]制造機(jī)電換能器的方法
[0037]將參照?qǐng)D3和圖4A?4F描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的制造機(jī)電換能器的方法。圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器的頂視圖，并且，圖4A?4F是沿圖3的線IV-1V切取的斷面圖。
[0038]如圖4A所示，在基板50上形成第一絕緣膜51。在基板50是諸如硅基板的導(dǎo)電基板的情況下，形成第一絕緣膜51以使第一電極絕緣。在基板50是諸如玻璃基板的絕緣基板的情況下，可以不形成第一絕緣膜51?；?0應(yīng)是具有低的表面粗糙度的基板。如果表面粗糙度高，那么它在本步驟之后的成膜步驟中被轉(zhuǎn)印(transfer)到膜上，并且，由于表面粗糙度導(dǎo)致的第一電極與第二電極之間的距離在單元或元件之間變化。該變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的變化，由此導(dǎo)致單元或元件之間的在靈敏度和帶寬方面的變化。另外，如果表面粗糙度高，那么容易出現(xiàn)電場(chǎng)集中和損壞(breakdown)。因此，基板50應(yīng)是具有低的表面粗糙度的基板。
[0039]隨后，如圖4B所示，形成第一電極52。第一電極52可由例如鈦或鋁的具有低的表面粗糙度的導(dǎo)電材料制成。如基板50那樣，如果第一電極的表面粗糙度高，則由于表面粗糙度導(dǎo)致的第一電極與第二電極之間的距離在單元之間或在元件之間變化，或者易于出現(xiàn)損壞。因此，第一電極52應(yīng)由具有低的表面粗糙度的導(dǎo)電材料制成。特別地，鈦具有高的耐熱性，由此幾乎不由于本步驟之后成膜步驟中的溫度而劣化和增加表面粗糙度。因此，可以使用鈦?zhàn)鳛榈谝浑姌O52。
[0040]隨后，如圖4C所示，形成第二絕緣膜53。第二絕緣膜53是硅氧化物膜。可通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)以低溫(約200°C?400°C)在第一電極52上形成硅氧化物膜。
[0041]隨后，如圖4D所示，在硅氧化物膜上形成犧牲層54。犧牲層54應(yīng)由具有低的表面粗糙度的材料制成。如基板50那樣，如果犧牲層的表面粗糙度高，則由于表面粗糙度導(dǎo)致的第一電極與第二電極之間的距離在單元之間或在元件之間變化，或者易于出現(xiàn)損壞。因此，犧牲層應(yīng)由具有低的表面粗糙度的材料制成。另外，為了縮短用于去除犧牲層的蝕刻時(shí)間，犧牲層應(yīng)由具有高的蝕刻速率的材料制成。此外，要求犧牲層由使得第二絕緣膜53、膜片55和第二電極56幾乎不被用于去除犧牲層的蝕刻溶液或蝕刻氣體蝕刻的材料制成。
[0042]如果第二絕緣膜53和膜片55被用于去除犧牲層54的蝕刻溶液或蝕刻氣體蝕刻，那么振動(dòng)膜的厚度變化，從而導(dǎo)致第一電極與第二電極之間的距離變化。振動(dòng)膜的厚度的變化和第一電極與第二電極之間的距離的變化導(dǎo)致單元或元件之間的在靈敏度和帶寬方面的變化。用于犧牲層54的材料可以是表面粗糙度低的鉻，并且，可以使用不蝕刻第二絕緣膜53、膜片55和第二電極56的蝕刻溶液。
[0043]隨后，如圖4E所示，在犧牲層54上形成膜片55。膜片55是硅氮化物膜。在硅氮化物中，可以容易地控制應(yīng)力，因此，可以用諸如300MPa或更小的低拉應(yīng)力形成膜片55。如上所述，如果膜片具有壓縮應(yīng)力，那么膜片導(dǎo)致屈曲并且大大地變形。如果膜片具有低的彈簧常數(shù)，那么，在形成空腔43 (參見圖3)之后，膜片55可能粘接于第一電極52側(cè)(粘附(sticking))。
[0044]由于例如膜片的殘余應(yīng)力、如后面描述的例子3中那樣的由于蝕刻犧牲層期間的水分蒸發(fā)導(dǎo)致的表面張力(tens1n)、靜電力、或由于表面上的輕基(hydroxyI group)導(dǎo)致的水分吸收(absorpt1n )，致使出現(xiàn)粘附。在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的制造機(jī)電換能器的方法中，通過濕法蝕刻來蝕刻犧牲層，并因此趨于出現(xiàn)粘附。特別地，在具有0.3?20MHz的頻帶寬度的機(jī)電換能器中，空腔深度為50?300nm，并且，趨于出現(xiàn)粘附。因此，以低拉應(yīng)力形成硅氮化物膜作為膜片55是重要的。
[0045]可通過PE-CVD形成硅氮化物膜。與低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)相比，PE-CVD可以低溫(200 0C?400 0C)形成硅氮化物膜。另外，通過PE-CVD形成的硅氮化物膜的楊氏模量可以為180GPa或更大，因此，膜片的剛度(stiffness)可增加，從而導(dǎo)致減少粘附。
[0046]隨后，如圖4F所示，在膜片55(硅氮化物膜)上形成第二電極56。在膜片中形成蝕刻孔58，并且，犧牲層54被去除。
[0047]當(dāng)在去除犧牲層54之后密封蝕刻孔的情況下，第二電極56應(yīng)由不由于用于密封蝕刻孔的成膜中的溫度或其它條件而劣化或增加應(yīng)力的材料制成。如果耐蝕刻性低，那么要求通過使用例如為保護(hù)第二電極56而涂敷的光刻膠的蝕刻來去除犧牲層54。但是，在使用光刻膠等的情況下，由于光刻膠等的應(yīng)力，膜片趨于導(dǎo)致粘附。因此，第二電極56應(yīng)由具有耐蝕刻性使得可以不使用光刻膠等、在露出第二電極56的狀態(tài)下蝕刻犧牲層的材料制成。這種材料的例子包含鈦。
[0048]可通過形成膜來密封蝕刻孔58。在通過成膜而進(jìn)行密封的情況下，用于密封蝕刻孔58的膜也沉積于第二電極上。沉積于第二電極56上的膜可被用作構(gòu)成具有希望的機(jī)械特性的振動(dòng)膜的膜，或者可被去除以形成振動(dòng)膜。
[0049]在密封蝕刻孔的情況下，在密封蝕刻孔之后，形成與第二電極56連接的布線46(未示出)。布線的材料可以為例如鋁。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，蝕刻孔58可以不被密封。在不密封蝕刻孔58的情況下，在形成第二電極的步驟中在膜片55上形成與第二電極56連接的布線46。隨后，通過蝕刻孔去除犧牲層54。
[0051 ]在通過該方法制造的機(jī)電換能器中，可以減少機(jī)電換能器的機(jī)械特性的變化和振動(dòng)膜的彎曲，并且，還可防止帶電。因此，可以制造在靈敏度和帶寬方面的變化更小的機(jī)電換能器。
[0052]例子
[0053]將通過使用更具體的例子來詳細(xì)描述一個(gè)實(shí)施例。
[0054]例子I
[0055]將參照?qǐng)D1A和圖1B描述根據(jù)本發(fā)明的方面的例子I的機(jī)電換能器的配置。圖1A是示出機(jī)電換能器的頂視圖，圖1B是沿圖1A的線IB-1B切取的斷面圖。
[0056]單元結(jié)構(gòu)I包含具有300μπι的厚度的硅基板11、設(shè)置在于硅基板11上的第一絕緣膜12、設(shè)置于第一絕緣膜12上的第一電極13、以及第一電極13上的第二絕緣膜14。單元結(jié)構(gòu)I還包含:由膜片15和設(shè)置于膜片15上的第二電極4構(gòu)成的振動(dòng)膜，其中，膜片15被設(shè)置于第二絕緣膜14上，使得在膜片15與第二絕緣膜14之間具有空腔3;以及支撐膜片15的膜片支撐部分16。通過電壓施加單元在第一電極13和第二電極4之間施加電壓。
[0057]本例子的第一絕緣膜12是通過熱氧化形成的具有Ιμπι的厚度的硅氧化物膜。第二絕緣膜14是通過PE-CVD形成的硅氧化物膜。第一電極13和第二電極4由鈦制成，并且，分別具有50nm和10nm的厚度。膜片15是通過PE-CVD形成的具有10MPa或更小的拉應(yīng)力的硅氮化物膜。第二絕緣膜14是通過PE-CVD形成的具有I OOnm的厚度的硅氧化物膜。
[0058]膜片15具有32μπι的直徑和0.5μπι的厚度。第二電極4具有26μπι的直徑?？涨?具有0.2μηι的深度。
[0059]如在本例子中那樣，當(dāng)?shù)谝浑姌O13上的第二絕緣膜14是硅氧化物膜時(shí)，可防止帶電。在本例子中，就是這樣防止帶電，并由此可使元件之間的在第一電極和第二電極之間施加的有效電壓方面的變化減至0.1V或更小。此外，膜片15是具有低應(yīng)力的硅氮化物膜，由此單元或元件之間的在振動(dòng)膜的彎曲和機(jī)械特性方面的變化可減小。在本例子中，單元或元件之間的在振動(dòng)膜的彎曲方面的變化可被控制為± 2nm或更小。因此，元件之間的在靈敏度方面的變化可被控制在IdB內(nèi)。
[0060]本例子的機(jī)電換能器可通過使用引線6分開地從各元件的第二電極4提取電信號(hào)。在接收超聲波的情況下，電壓施加單元17向第一電極13施加DC電壓，從而導(dǎo)致第一電極13和第二電極4之間的電勢(shì)差。超聲波的接收使具有第二電極4和膜片15的振動(dòng)膜變形，從而改變第二電極4和第一電極13之間的空腔3的深度，從而導(dǎo)致電容的改變。該電容的改變導(dǎo)致電流在引線6中流動(dòng)。該電流通過電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置(未示出)被轉(zhuǎn)換成電壓，以給出超聲波的輸入信號(hào)。
[0061]在傳送超聲波的情況下，分別向第一電極和第二電極施加DC電壓和AC電壓，并且，靜電力使振動(dòng)膜振動(dòng)。該振動(dòng)傳送超聲波。
[0062]在根據(jù)本發(fā)明的方面的機(jī)電換能器中，可防止帶電，并且，可減小振動(dòng)膜的機(jī)械特性和彎曲方面的變化。因此，元件之間的在靈敏度方面的變化可減小到IdB或更小。
[0063]例子2
[0064]將參照?qǐng)D2A和圖2B描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的例子2的機(jī)電換能器的配置。圖2A和圖2B所示的機(jī)電換能器的配置與例子I中的不同之處在于，振動(dòng)膜具有三層結(jié)構(gòu)。圖2A是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的機(jī)電換能器的頂視圖，圖2B是沿圖2A的線IIB-1IB切取的斷面圖。
[0065]本例子的單元結(jié)構(gòu)21包含具有300μπι的厚度的硅基板31、被設(shè)置于硅基板31上的第一絕緣膜32、被設(shè)置在第一絕緣膜32上的第一電極33、以及第一電極33上的第二絕緣膜34。單元結(jié)構(gòu)21還包含:由第一膜片36、第二膜片38和第二電極24構(gòu)成的振動(dòng)膜，設(shè)置在第二絕緣膜34上，使得在第二絕緣膜34和振動(dòng)膜之間形成空腔23;和支撐第一膜片36的膜片支撐部分39。本例子的元件22由9個(gè)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成。通過電壓施加單元40在第一電極33和第二電極24之間施加電壓。
[0066]第一絕緣膜32是通過熱氧化形成的具有Ιμπι的厚度的硅氧化物膜。第二絕緣膜34是通過PE-CVD形成的具有0.Ιμπι的厚度的硅氧化物膜。第一電極33和第二電極24由鈦制成，并分別具有50nm和10nm的厚度。第一膜片36和第二膜片38是各自通過PE-CVD形成的具有200MPa或更小的拉應(yīng)力的硅氮化物膜。第一膜片36和第二膜片38各自具有44μπι的直徑并各自具有0.4μπι和0.7μπι的厚度。第二電極24具有38μπι的直徑?？涨?3具有0.18μπι的深度。
[0067]在本例子中的機(jī)電換能器中，第一電極33上的第二絕緣膜34是硅氧化物膜，并由此防止帶電。此外，第一膜片是具有低應(yīng)力的硅氮化物膜，由此可減小單元或元件之間的在振動(dòng)膜的彎曲和機(jī)械特性方面的變化。
[0068]本例子的振動(dòng)膜具有設(shè)置在第二電極24上在與空腔23相反一側(cè)的第二膜片38。因此，可通過經(jīng)由第二膜片38的控制調(diào)整振動(dòng)膜的總厚度來控制頻率特性。由于第二電極24被設(shè)置在第一膜片36上，因此，為了減小第一電極和第二電極之間的距離，要求第一膜片36具有更小的厚度。因此，可通過調(diào)整第二膜片38的厚度來控制振動(dòng)膜的總厚度。在本例子中，第二膜片38是與第一膜片36類似的硅氮化物膜。雖然第二膜片38可以是硅氮化物膜以外的膜，但是，當(dāng)?shù)诙て?8也是硅氮化物膜時(shí)，振動(dòng)膜可具有低的拉應(yīng)力。
[0069]通過用電壓施加單元40向第一電極33施加-60V的電壓的情況來描述本例子的機(jī)電換能器。在這種情況下，第一電極33的電勢(shì)比第二電極24的電勢(shì)低。在電子從第一電極33的與硅氧化物膜接觸的一側(cè)流入的配置中，與電子從第二電極24的與硅氮化物膜接觸的一側(cè)流入的情況相比，電子的流入量少。因此，累積于硅氧化物膜或硅氮化物膜中的電荷的量可能減少。因此，可通過該配置進(jìn)一步減少機(jī)電換能器的帶電。
[0070]此外，如本例子那樣，在第一膜片36具有0.4μπι的厚度并且向第一電極33施加-60V的電壓的情況下，向硅氮化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度為2MV/cm或更小。特別地，即使第一膜片與第二絕緣膜接觸，只要電壓為115V或更小，向硅氮化物膜施加的電場(chǎng)強(qiáng)度也為2MV/cm或更小。因此，進(jìn)一步防止帶電。
[0071]在本例子的配置中，可以防止帶電，并且，可以減少振動(dòng)膜的機(jī)械特性和彎曲方面的變化。因此，元件之間的在靈敏度方面的變化可被控制為0.5dB或更小。但是，電極之間的電勢(shì)關(guān)系和第一膜片的電場(chǎng)強(qiáng)度不限于本例子的那些。例如，可對(duì)例子I應(yīng)用其中第一電極33的電勢(shì)比第二電極24的電勢(shì)低的配置或者其中電場(chǎng)強(qiáng)度為2MV/cm或更小的配置。
[0072]例子3
[0073]將描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方面的例子3。本例子涉及制造機(jī)電換能器的方法。將參照?qǐng)D3和圖4A?4F描述本發(fā)明的方法。圖3是本發(fā)明的機(jī)電換能器的頂視圖，并且，圖4A?4F是沿圖3的線IV-1V切取的斷面圖。
[0074]如圖4A所示，在基板50上形成第一絕緣膜51?；?0是具有300μπι的厚度的硅基板。第一絕緣膜51是用于在第一電極52和基板50之間提供絕緣性的、通過熱氧化形成的具有Iym的厚度的硅氧化物膜。
[0075]隨后，如圖4Β所示，形成第一電極52。第一電極52由鈦制成，并具有50nm的厚度和2nm或更小的均根(root mean)表面粗糙度(Rms)?？赏ㄟ^派射或沉積鈦而形成第一電極52。
[0076]隨后，如圖4C所示，形成第二絕緣膜53。第二絕緣膜53是通過PE-CVD形成為具有
0.1ym的厚度和2nm或更小的均根表面粗糙度(Rms)的硅氧化物膜。當(dāng)在第一電極52和第二電極56之間施加電壓時(shí)，第二絕緣膜53可防止第一電極52與第二電極56之間的電氣短路或損壞。另外，硅氧化物膜與第一電極52之間的勢(shì)皇高度比硅氮化物膜與第一電極52之間的勢(shì)皇高度高，由此，電荷難以在硅氧化物膜中流動(dòng)。第一電極52上的第二絕緣膜53是硅氧化物膜，由此，可以防止一個(gè)實(shí)施例的機(jī)電換能器的帶電。
[0077]隨后，如圖4D所示，形成犧牲層54。犧牲層54由鉻制成，并具有0.2μπι的厚度和
1.5nm或更小的均根表面粗糙度(Rms)。犧牲層54的直徑為40μηι。
[0078]隨后，如圖4Ε所示，形成膜片55。膜片55是通過PECVD形成的具有0.5μπι的厚度的氮化物膜。膜片55具有200MPa的殘余應(yīng)力。在形成膜片55的該步驟中形成膜片支撐部分。
[0079]隨后，如圖4F所示，形成第二電極56，并且，進(jìn)一步在膜片中形成蝕刻孔58。第二電極56由鈦制成，并具有0.Ιμπι的厚度和200MPa或更小的殘余應(yīng)力。如例子2那樣，當(dāng)形成第二膜片時(shí)，鈦不由于溫度而導(dǎo)致表面粗糙度的增加和應(yīng)力的變化。另外，當(dāng)犧牲層54被去除時(shí)，鈦不被蝕刻，并由此例如可在不用抗蝕劑保護(hù)第二電極56的情況下去除犧牲層54。
[0080]隨后，通過蝕刻孔58去除犧牲層54。通過使用鉻蝕刻劑(etchant)(硝酸鈰銨(cerium ammonium nitrate)、高氯酸(perchloric acid)和水的混合酸)去除犧牲層54。在本例子中，第二絕緣膜53是硅氧化物膜，膜片55是硅氮化物膜，并且，犧牲層54由鉻制成。因此，第二絕緣膜53、膜片55和第二電極52在犧牲層的蝕刻中不被蝕刻。因此，可以減少振動(dòng)膜的厚度的變化和第一電極與第二電極之間的距離的變化。因此，可以減少單元或元件之間的在靈敏度和帶寬方面的變化。
[0081]此外，通過用PE-CVD形成的硅氮化物膜密封蝕刻孔58(未示出)?？梢栽诶?中描述的第二膜片的形成步驟中執(zhí)行該密封。隨后，通過使用鋁作為布線材料，形成與第一電極和第二電極連接的布線46。
[0082]在通過該方法制造的機(jī)電換能器中，可以減少機(jī)電換能器的振動(dòng)膜的彎曲和機(jī)械特性方面的變化，并且還可防止機(jī)電換能器的帶電。因此，可以制造其中減少單元或元件之間的在靈敏度和帶寬方面的變化更小的機(jī)電換能器。
[0083]雖然已參照示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的變更方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種機(jī)電換能器，其特征在于，所述機(jī)電換能器包括多個(gè)單元，該單元包括: 基板； 第一電極； 第一絕緣膜； 振動(dòng)膜，包含第二絕緣膜和第二電極；以及 電壓施加部件，用于在第一電極和第二電極之間施加電壓； 其中，所述電壓施加部件施加電壓以使得第一電極的電勢(shì)比第二電極的電勢(shì)低;和 其中，第一電極、所述第一絕緣膜、所述第二絕緣膜和第二電極被從所述基板起按順序布置， 其中，在所述第一絕緣膜和所述第二絕緣膜之間在所述第一絕緣膜和所述第二絕緣膜堆疊的方向上形成間隙， 其中，所述第一絕緣膜與第一電極和所述間隙接觸，并且 其中，所述第二絕緣膜與第二電極和所述間隙接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述振動(dòng)膜還包含被設(shè)置于第二電極上在與所述間隙相反的一側(cè)的第三絕緣膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，進(jìn)一步包含被配置為將通過改變第一電極和第二電極之間的距離而導(dǎo)致的電流轉(zhuǎn)換成電壓的電流電壓轉(zhuǎn)換器件。4.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述多個(gè)單元中的每一個(gè)單元的第一電極是共用電極。5.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述電壓施加部件施加電壓以使得向硅氮化物膜施加2MV/cm或更小的電場(chǎng)強(qiáng)度。6.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中所述第一絕緣膜的厚度為50到200nm。7.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中所述第二絕緣膜的厚度為300到800nm。8.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述第一絕緣膜是硅氧化物膜。9.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述第二絕緣膜是硅氮化物膜。10.根據(jù)權(quán)利要求8的機(jī)電換能器，其中，硅與氧的比接近1:2。11.根據(jù)權(quán)利要求9的機(jī)電換能器，其中，硅與氮的比高于3:4。12.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，其中，所述第一絕緣膜的均根表面粗糙度(Rms)為2nm或更小。13.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)電換能器，進(jìn)一步包括多個(gè)元件， 其中，元件之間的施加于第一電極和第二電極之間的有效電壓的變化為0.1V或更小。
【文檔編號(hào)】H01L41/08GK105895797SQ201610387408
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2012年4月6日
【發(fā)明人】虎島和敏, 秋山貴弘, 冨吉俊夫
【申請(qǐng)人】佳能株式會(huì)社