電氣機械變換器及其製造方法
2023-06-05 01:52:21
專利名稱：電氣機械變換器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及諸如電容變換器陣列的電氣機械變換器和電氣機械變換器的製造方法。
背景技術：
常規上，要使用微加工技術製造的微機械部件可在微米的量級上被加工，並且，使用這種微機械部件實現各種功能微型元件。作為壓電元件的替代方案，正在研究使用這種技術的電容變換器(CMUT:電容微加工超聲變換器)。通過這種CMUT，可通過使用振動膜的振動來傳送和接收超聲，並且，特別地，可以容易地獲得液體中的優異的寬帶特性。關於上述的技木，存在如下這樣的電容變換器陣列，其中矽氮化物膜在基板上形成並被用作振動膜，並且振動膜上的電極和在基板上形成的電極中的ー個被引出到基板的下表面(日本專利No. 3924466)。並且，存在使用通過接合等在矽基板上形成的單晶矽振動膜的電容變換器陣列(US 2008/0048211)。在後ー種的配置中，包含單晶矽振動膜的矽膜用作共用電極。矽基板被分割，並且，分割後的矽基板被用作信號引出電極，以由此形成電容變換器陣列。並且，為了提高器件剛度，在信號引出電極周圍形成框架結構。在其中通過接合等在矽基板上形成單晶矽振動膜的電容變換器陣列中，矽基板可被分割並且被用作信號引出電極。但是，由於矽基板被分割，因此，變換器陣列的剛度降低， 並且，變換器陣列會被安裝時的熱應カ等破壞。並且，來自振動膜的電極的電信號可經由貫通布線被引出到矽基板的後表面。但是，在形成貫通布線時，絕緣材料或用於將電信號引出到後表面的貫通布線材料會沉積于振動膜上。並且，當熱氧化通孔時，單晶矽振動膜也可被氧化。這可導致振動膜的厚度波動或者在其上產生應力。並且，當使用多晶矽作為用於布線的導體吋，多晶矽也可沉積於單晶矽振動膜上，這可導致振動膜的厚度波動和振動膜上的應力。振動膜的這種厚度波動和其上的應カ導致振動膜中的變形波動和彈簧常數波動。這可導致包含變換器単元的元件之間的均一性較低，並且電容變換器陣列中的元件之間的性能波動可增加。
發明內容
根據本發明的電氣機械變換器包括多個元件，每個元件包含至少ー個単元結構， 所述單元結構包含半導體基板；半導體振動膜；和支撐部，所述支撐部用幹支撐半導體振動膜以使得在半導體基板的ー個表面和半導體振動膜之間形成間隙。所述多個元件在包含所述半導體振動膜的半導體膜的分離位置處相互分離。此外，在貫通包含所述支撐部的第一絕緣層和半導體基板的通孔中，所述多個元件中的每ー個包含與所述半導體膜連接的導體；和用於使所述導體與所述半導體基板絕緣的第二絕緣層。根據本發明的第一方面的電氣機械變換器的製造方法包括在第一半導體基板的 ー個表面上形成第一絕緣層並且在第一絕緣層中形成間隙；使第二半導體基板與第一絕緣層接合；薄化第二半導體基板以形成半導體膜；在第一半導體基板、第一絕緣層和半導體膜中形成通孔；在通孔的側壁上形成第二絕緣層；在第二絕緣層上形成導體；和在分離位置處分割半導體膜以形成多個元件，其中，在形成第二絕緣層之前，在半導體膜上形成保護膜。根據本發明的第二方面的電氣機械變換器的製造方法包括在第一半導體基板的 ー個表面上形成第一絕緣層並且在第一絕緣層中形成間隙；使第二半導體基板與第一絕緣層接合；在第一半導體基板中形成通孔；在通孔的側壁上形成第二絕緣層；在第二絕緣層上形成導體；薄化第二半導體基板以形成半導體膜；和在分離位置處分割半導體膜以形成多個元件，其中，在接合第二半導體基板之前，形成通孔和第二絕緣層，並且，在接合第二半導體基板之後，形成導體。根據本發明，電氣機械變換器具有如下這樣的配置，即用於與包含振動膜的半導體膜的電氣連接的貫通布線被引出到半導體基板的相反側，並且基板不被分割，由此，防止變換器的剛度降低。可通過上述的根據本發明的製造方法製造具有這種配置的電氣機械變換器，其中，使用具有小的厚度波動並具有小的殘餘應カ的諸如單晶矽的半導體材料作為振動膜的主材料，並且，在半導體基板的ー個表面側形成振動膜。因此，可以減少振動膜中的彈簧常數波動和變形波動，並且，可以提供具有高的元件之間的均一性並且具有減小的傳送和接收性能波動的電氣機械變換器。並且，在根據本發明的第一方面的電氣機械變換器的製造方法中，形成用幹與包含振動膜的半導體膜的電氣連接的貫通布線。因此，可容易地製造具有高剛度的電氣機械變換器。並且，由於在通孔中形成絕緣層之前在包含振動膜的半導體膜上形成保護膜，因此，當形成貫通布線時，振動膜不外露，並且，可以防止絕緣層材料直接沉積于振動膜上。因此，可以減少振動膜中的彈簧常數波動和變形波動，並且，可以提供具有高的性能均一性的電氣機械變換器。這裡，當使用多晶矽等作為用於布線的導體材料時，為了防止導體材料沉積于振動膜上，當在通孔中的絕緣層上形成導體時，還可優選通過保護膜來保護振動膜。並且，根據根據本發明的第二方面的電氣機械變換器的製造方法，形成用幹與包含振動膜的半導體膜的後表面的電氣連接的貫通布線。因此，可容易地製造具有高剛度的電氣機械變換器。並且，由於當形成貫通布線時振動膜不被暴露，因此，可以防止在形成貫通布線時使用的絕緣層材料和導體材料直接沉積于振動膜上。因此，可以減少振動膜的彈簧常數波動和變形波動。並且，由於不在電氣機械變換器的前表面中形成通孔，因此，當在液體中使用電氣機械變換器吋，可以防止液體進入電氣機械變換器的後表面。從下文參照附圖的示例性實施例的描述，本發明的其它特徵將變得清晰。
圖IA是示出根據實施例和例子1的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的頂視圖。圖IB是示出根據實施例和例子1的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的截面圖。圖IC是示出根據實施例和例子1的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的底視圖。
圖2是示出根據例子2的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的截面圖。圖3A是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖加是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖3C是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖3D是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖3E是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖3F是示出根據實施例和例子3的作為本發明的電氣機械變換器的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。圖4A是示出根據另ー實施例和例子換器陣列的製造方法的截面圖。圖4B是示出根據另ー實施例和例子換器陣列的製造方法的截面圖。圖4C是示出根據另ー實施例和例子換器陣列的製造方法的截面圖。圖4D是示出根據另ー實施例和例子換器陣列的製造方法的截面圖。圖4E是示出根據另ー實施例和例子換器陣列的製造方法的截面圖。
具體實施例方式在根據本發明的電氣機械變換器中，通過分割包含振動膜的半導體膜，多個元件相互電氣分離。各元件包含用幹與各半導體膜的電氣連接的貫通布線。貫通布線被引出到作為共用電極的基板的後表面側。因此，不必與各元件對應地分割基板，從而可以保持變換器的機械強度。並且，在根據本發明的電氣機械變換器的第一和第二製造方法中，由於沒有在要成為振動膜的半導體膜被暴露時形成構成貫通布線的絕緣層，從而防止絕緣層材料直接沉積于振動膜上。基於上述的思想，根據本發明的電氣機械變換器及其製造方法具有在以上的「發明內容」中描述的基本配置。以下，參照圖1A、圖IB和圖IC描述本發明的一個實施例。圖IA是根據本發明的電氣機械變換器的實施例的電容變換器陣列的頂視圖。圖IB是沿圖IA的線1B-1B'切取的截面圖。圖IC是根據本實施例的電容變換器陣列的底視圖。本實施例的電容變換器陣列包括多個元件3，每個元件3包含多個單元結構1和貫通布線2。雖然在圖IA中只示出四個元件3，但是，可以布置任意數量的元件3。並且，雖然在圖中每個元件3包含十五個單元結構1，但是，類似地，可以布置任意數量的単元結構，只要在每個元件3中包含至少ー個
4的作為本發明的電氣機械變換器的電容變 4的作為本發明的電氣機械變換器的電容變 4的作為本發明的電氣機械變換器的電容變 4的作為本發明的電氣機械變換器的電容變 4的作為本發明的電氣機械變換器的電容變単元結構1即可。単元結構1包含作為半導體振動膜的單晶矽振動膜4、間隙5、用於支撐單晶矽振動膜4的振動膜支撐部6、以及作為半導體基板的矽基板7。與通過層疊形成的振動膜(例如，矽氮化物膜)相比，單晶矽振動膜4幾乎沒有殘餘應力、厚度波動較小，並且振動膜彈簧常數的波動較小。因此，元件之間的以及單元結構之間的性能波動小。作為振動膜支撐部 6，希望使用諸如矽氧化物或矽氮化物的絕緣體。當振動膜支撐部6不是絕緣體時，為了使單晶矽振動膜4與矽基板7絕緣，必須在矽基板7上形成絕緣層。由於如下面描述的那樣， 矽基板7被用作多個元件3的共用電極，因此希望矽基板7為提升歐姆行為的低電阻基板。 希望電阻率為0. 1Ω · cm或更低。注意，「歐姆」意味著不管電流方向和電壓量如何電阻值都是恆定的。貫通布線2包含通孔8、導體10 (用作布線)和用於使導體10與矽基板7絕緣的絕緣層9。通孔8貫通包含振動膜支撐部6的第一絕緣層和矽基板7。為了使導體10與矽基板7絕緣，需要在通孔8的側壁上均勻地形成絕緣層9。並且，矽基板7和導體10之間的電容是寄生電容，並且成為電容變換器的噪聲源。因此，為了減少電容，可儘可能厚地形成絕緣層9，這實現了改進的傳送和接收性能。因此，作為絕緣層9，能夠實現Ιμπι或更大的膜厚和均勻絕緣層兩者的通過熱氧化形成的矽氧化物或通過使用四乙氧基矽烷(TEOS)膜形成的矽氧化物是所希望的。由於導體10經由通孔8連接作為包含單晶矽振動膜4的半導體膜的矽膜12與矽基板7的後表面，因此，對於導體10，可被均勻形成的材料是所希望的。因此，摻雜有雜質的多晶矽等是所希望的。在多晶矽的情況下，可通過改變雜質的濃度改變其電阻率，並因此容易獲得歐姆行為。如上所述，為了經由通孔8電連接包含單晶矽振動膜4的矽膜12與矽基板7的後表面，通孔8需要至少從矽膜12的後表面無縫地延伸到矽基板7的後表面。並且，由於通孔8中的水平差(level difference)會導致導體10和矽基板7之間短路或導體10斷開 (disconnection)，因此希望通孔8的側壁被成形為在其中不具有水平差。並且，通孔8可是減縮的，使得可容易地在其中形成絕緣層9或導體10。特別地，通過採用通孔8的在引出電極的矽基板7側的直徑比其在矽膜12側的直徑大的減縮結構，可以増加元件中的單元結構的數量並且可提高傳送和接收靈敏度。多個元件3在分離位置(溝槽)11處相互電氣分離。可通過在分離位置11處使矽膜12經受蝕刻來形成這些電氣分離溝槽。該配置使得能夠將電容變換器陣列中的元件 3中的每ー個的電信號引出到後表面側。現在描述本實施例的驅動原理。在可被用作共用電極的共用矽基板7上形成多個元件3。多個元件3在分離位置11處相互電氣絕緣，因此，可分別將各來自元件3的電信號引出到矽基板7的後表面。當在電容變換器陣列接收超聲吋，事先通過電壓施加単元(未示出)向矽基板7施加直流電壓。然後，當接收超聲吋，單晶矽振動膜4變形，這改變了作為單晶矽振動膜4和矽基板7之間的距離的間隙5的量，以改變電容。電容的這種改變導致電流流過導體10，該電流然後通過電流電壓轉換器(未示出)被轉換成電壓，以由此接收超聲。此外，可以向矽基板7施加直流電壓和交流電壓，以通過靜電カ使單晶矽振動膜4振動，使得可以從其傳送超聲。在根據本實施例的電容變換器中，包含單晶矽振動膜4的矽膜12被分割以使元件3相互電氣分離，並且，矽基板7被用作共用電極。在該配置中，由於矽基板7不被溝槽等分割，因此，電容變換器陣列的剛度可増加，並且，即使當被安裝等時被施加應力，也可防止電容變換器被破壞。並且，與使用通過層疊製成的振動膜(例如矽氮化物膜)的電容變換器的情況相比，單晶矽振動膜的使用有利於膜厚控制並減少殘餘應力。並且，如在後面的製造方法的描述中描述的那樣，沒有在單晶矽振動膜4上沉積具有大的殘餘應カ的材料，並且， 可以獲得主材料是具有小的殘餘應カ的單晶矽的振動膜4。因此，可以減小振動膜彈簧常數的波動和振動膜變形的波動，並因此可以大大減小單元結構之間的或元件3之間的性能波動，並可使傳送和接收特性穩定。並且，如在後面的製造方法的描述中描述的那樣，由於可通過形成振動膜支撐部6 和間隙5並然後接合另ー基板來製造電容變換器陣列，因此可以減少單晶矽振動膜4和矽基板7之間的距離的波動。因此，可以減少單元結構之間的和元件3之間的傳送和接收靈敏度波動。並且，在該配置中，包含單晶矽振動膜4的矽膜12經由幾乎沒有水平差的垂直貫通布線2被引出到後表面，以由此防止由於在形成貫通布線2的絕緣層9或導體10被形成時導致的水平差等所導致的短路和斷開。並且，如圖IC所示，在矽基板7的後表面上形成的絕緣層9不需要在整個後表面之上形成，並且可被分割。因此，可以防止由於絕緣層9產生的應カ導致的整個矽基板7的變形。如果整個矽基板7變形，那麼變得難以接合形成單晶矽振動膜4的矽膜12與矽基板 7，這會導致接合不良。相反，該配置可減少這樣的接合不良。並且，還可減少元件3之間的變形波動，並因此可以在接收超聲時在各元件3中減少要被測量的物體和元件3之間的距離的波動。並且，還可減少在傳送時從各元件3產生的超聲的焦點位置的波動。如後面描述的那樣，可以在包含單晶矽振動膜4的矽膜12的後表面上實現與用於布線的導體10的連接(參見圖幻。在該配置中，不在振動膜4側形成通孔，因此，即使當在液體等中使用電容變換器陣列吋，也可防止液體進入後表面。並且，由於包含單晶矽振動膜 4的矽膜12的後表面與導體10接觸，因此，可容易地獲得矽膜12和導體10之間的電氣導通(參見後面要描述的例子2)。現在參照圖3A 3F描述本實施例的製造方法。圖3A 3F是具有與圖IA IC 所示的結構基本上類似的結構的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。如圖3A所示，在作為第一半導體基板的第一矽基板30的ー個表面上形成第一絕緣層31，並且在絕緣層31中形成間隙32。希望第一矽基板30的電阻率為0.1 Ω 或更小的量級。在絕緣層31在該過程隨後的過程中與用於形成單晶矽振動膜43的第二矽基板33直接接合的情況下，希望絕緣層31為通過熱氧化形成的矽氧化物膜。直接接合需要要被接合的基板具有高的平坦性和低的表面粗糙度等。通過熱氧化形成的矽氧化物膜具有高的平坦性並且不増加基板的表面粗糙度，這有利於直接接合。當通過樹脂等實施接合吋，絕緣層可由其它的材料形成。 例如，可以使用矽氮化物等的絕緣層。然後，如圖加所示，作為用於形成單晶矽振動膜43的第二半導體基板的第二矽基板33接合到第一絕緣層31，並然後被薄化。希望作為用於形成單晶矽振動膜43的半導體膜的矽膜的厚度為數微米或更小。因此，通過使用樹脂或通過直接接合來接合第二矽基板 33，並且，通過蝕刻、研磨或化學機械拋光(CMP)實施其薄化。如圖加所示，在該過程中，作為用於形成單晶矽振動膜43的第二矽基板33，可以使用絕緣體上矽(SOI)基板。SOI基板是在矽基板(操作層)36和表面矽層(活性層)34之間插入矽氧化物層(埋入氧化物(BOX) 層)35的基板。當使用這種SOI基板吋，可以使用SOI基板中的活性層作為包含單晶矽振動膜43的矽膜34。因此，可以在該過程中接合活性層側。由於可以以小的厚度波動製造 SOI基板中的活性層，因此，可以減少單晶矽振動膜43的厚度波動。因此，可以減少電容變換器的振動膜的彈簧常數波動，並因此可以減少傳送和接收時的頻率波動。通過去除操作層36和BOX層35實施SOI基板的薄化。可通過研磨、CMP或蝕刻去除操作層36。可通過氧化物膜的蝕刻(幹蝕刻或使用氫氟酸的蝕刻)去除BOX層35。諸如使用氫氟酸的蝕刻的溼蝕刻可防止矽被蝕刻。因此，可以減少由於蝕刻導致的單晶矽振動膜43的厚度波動，這是更希望的。當不使用SOI基板作為用於形成單晶矽振動膜43的第二矽基板33吋，基板可通過背研磨(backgrinding)或CMP被薄化以具有2 μ m的量級的厚度。然後，如圖3C所示，在包含單晶矽振動膜43的矽膜34上形成保護膜38。在該過程隨後的過程中形成絕緣層和導體以形成貫通布線時，保護膜38防止絕緣層和導體與單晶矽振動膜43直接接觸。注意，可以在形成通孔39之後形成保護膜38。然後，如圖3D所示，形成通孔39並且形成第二絕緣層40。通孔39是用於將用於與包含單晶矽振動膜43的矽膜34的電氣連接的布線引出到第一矽基板30的後表面側的路徑。並且，如圖3E所示， 絕緣層40用於使與矽膜34電氣連接的導體41 (用作布線)與第一矽基板30絕緣。在該過程中，如圖3C所示，在形成絕緣層40之前形成保護膜38，以防止絕緣層40或導體41直接沉積於單晶矽振動膜43上。因此，在單晶矽振動膜43上經由保護膜38形成絕緣層40 或導體41，並且，當在該過程隨後的過程中去除絕緣層40或導體41吋，可以在不使單晶矽振動膜43經受蝕刻的情況下實施去除。但是，當使用金屬等作為導體41吋，由幹與多晶矽相比這種材料更容易被蝕刻，因此，可以在去除保護膜38之後形成導體41。這樣，根據本實施例的製造方法具有在形成絕緣層40的過程之前在矽膜34上形成保護膜38的特徵。然後，優選地，在形成導體41的過程之後實施去除保護膜38的過程。這可防止單晶矽振動膜 43的厚度波動。作為該保護膜38，矽氧化物膜或在矽氧化物膜上形成矽氮化物膜的ニ層結構是所希望的。當使用通過熱氧化形成的矽氧化物膜作為絕緣層時，單晶矽振動膜43被氧化以導致厚度波動。通過以約40%的希望的成膜量對矽的表面進行氧化，形成通過熱氧化形成的矽氧化物膜。因此，優選地，使用作為具有不被熱氧化的特性的材料的矽氮化物膜作為保護膜38。並且，當在單晶矽振動膜43上形成的膜被去除吋，如果單晶矽振動膜43被蝕刻，那麼它會導致厚度波動，這導致振動膜43的彈簧常數波動和變形波動。因而斷定，不蝕刻單晶矽振動膜43的使用氫氟酸等的溼蝕刻是所希望的。因此，希望在單晶矽振動膜43上直接形成矽氧化物膜。這使得能夠在不導致單晶矽振動膜43的厚度波動的情況下形成振動膜43。優選地，通孔39在其側壁上幾乎沒有水平差。當在通孔39的側壁上存在水平差吋，當形成絕緣層40和導體41時易於發生短路和斷開。因此，希望絕緣層40和通孔39的側壁幾乎沒有水平差。並且，出於在通孔39中容易形成絕緣層40和導體41的目的，通孔 39可形成為減縮結構。特別地，通過採用通孔39的在引出電極的矽基板30側的直徑比其在矽膜34側的直徑大的減縮結構，可以増加元件中的単元結構的數量。
並且，作為絕緣層40，通過熱氧化形成的矽氧化物膜或TEOS膜是所希望的。易於在通孔39的側壁上均勻地形成那些膜，並且，可以容易地形成具有1 μ m或更大的厚度的絕緣層。通過採用這種材料，可以容易地防止導體41和矽基板30之間的短路和導體41中的斷開，並且，還可以減少導體41和第一矽基板30之間的寄生電容。因此，可以防止傳送和接收性能劣化。然後，如圖3E所示，只有用於矽膜34和導體41之間的電氣連接的保護膜38的接觸部被蝕刻，並且，在設置在第一矽基板30的前表面側、設置在通孔39中和設置在第一矽基板30的後表面上的絕緣層40上形成導體41。然後，通過蝕刻去除沉積於包含單晶矽振動膜43的矽膜34上的導體41、絕緣層40和保護膜38以及第ー矽基板30的後表面上的絕緣層40和導體41的一部分。如上所述，這可在不導致單晶矽振動膜43的厚度波動並且不在其上導致應力的情況下露出單晶矽振動膜43。但是，本發明不限於通過在接觸部蝕刻保護膜38來在矽膜34和導體41之間建立電氣連接。例如，當在通孔39中形成導體41吋， 在保護膜38上形成導體41之後，可通過去除振動膜43上的導體41、絕緣層40和保護膜 38並且在振動膜43上重新設置諸如Al的導體，使矽膜34和導體41的布線部分接觸。然後，如圖3F所示，在分離位置42處分割矽膜34。因此，多個元件可相互電氣分離。在通過該製造方法製造的電容變換器陣列中，單晶矽振動膜43的厚度波動和彈簧常數波動可被容易地減少以僅具有小的性能波動。並且，由於在不分割矽基板30的情況下通過貫通布線形成2D(ニ維)陣列，因此，可以在不降低剛度的情況下製造電容變換器陣列。在以這種方式製造的単元結構中，間隙32之上的單晶矽振動膜43被振動膜支撐部45可振動地支撐。現在參照圖4A 4E描述另ー實施例的製造方法。圖4A 4E是具有與圖IA IC所示的配置基本上類似的配置的電容變換器陣列的製造方法的截面圖。在本實施例中， 如圖4A所示，在作為第一半導體基板的第一矽基板50中形成通孔51，並且，在其中形成第 ニ絕緣層52。由於作為用於形成作為半導體膜的單晶矽振動膜61的第二半導體基板的第 ニ矽基板55接合到第一矽基板50的前表面側，因此，該表面需要保持其平坦性。因此，在形成通孔51之前，在矽基板50上形成保護膜(未示出)。然後，形成通孔51，形成第二絕緣層52，並且，去除第一矽基板50的前表面上的保護膜和絕緣層52。因此，可以在不増加第一矽基板50的表面粗糙度的情況下製造圖4A所示的結構，並且第二矽基板55可容易地與其接合。如上所述，作為絕緣層52，通過熱氧化形成的矽氧化物膜或TEOS膜是所希望的。 並且，作為保護膜，矽氧化物膜或在矽氧化物膜上形成矽氮化物膜的ニ層結構是所希望的。 當使用通過熱氧化形成的矽氧化物膜作為絕緣層52吋，第一矽基板50會被氧化以増加表面粗糙度。因此，優選地使用作為具有不被熱氧化的特性的材料的矽氮化物膜作為保護膜。 並且，當通過蝕刻去除在第一矽基板50上形成的絕緣層52吋，如果第一矽基板50被蝕刻以增加表面粗糙度，那麼易於出現接合不良。因而斷定，不蝕刻第一矽基板50的使用氫氟酸等的溼蝕刻是所希望的。因此，希望直接在矽基板50上形成矽氧化物膜。並且，在該過程中，在第一矽基板50的後表面上形成的絕緣層52可被構圖並被分割(參見圖4E和圖1C)。因此，可以減少接合之前的第一矽基板50的變形，這有利於接合併防止接合不良。
然後，如圖4B所示，在第一矽基板50的ー個表面上形成第一絕緣層M，並且，在其中形成間隙53。然後，如圖4C所示，用於形成單晶矽振動膜61的第二矽基板55接合到第一絕緣層M。如上所述，該過程中的接合可以是直接接合，並且，可以是使用樹脂等的接合。如果在接合之後形成通孔51和絕緣層M，那麼也在包含單晶矽振動膜61的矽膜56的下表面上形成絕緣層54，並且，難以在導體59和包含單晶矽振動膜61的矽膜56之間建立電氣連接。通過在形成通孔51和絕緣層M之後實施接合，如在本製造方法中例示的那樣， 可以容易地建立包含單晶矽振動膜61的矽膜56和導體59之間的電氣連接。然後，如圖4D所示，形成導體59。通過在該過程中形成導體59，從包含單晶矽振動膜61的矽膜56接收的電信號可經由通孔51被引出到第一矽基板50的後表面。並且， 由於包含單晶矽振動膜61的矽膜56的後表面與導體59接觸，因此，可以容易地獲得矽膜 56和導體59之間的電氣導通。並且，如圖4E所示，用於形成單晶矽振動膜61的第二矽基板55被薄化。如上所述，通過蝕刻、研磨或CMP等實施薄化以由此將後表面構圖。並且，如上所述，也可通過去除 SOI基板的操作層58和BOX層57實施薄化。然後，在分離位置64處分割包含單晶矽振動膜61的矽膜56。因此，可以使元件相互電氣分離。希望在電容變換器的製造過程的最後實施第二矽基板55的薄化。原因在幹，由於單晶矽振動膜61具有1 μ m量級的厚度，因此，如果在薄化第二矽基板55之後實施需要加熱的過程或處理第一矽基板50的與具有單晶矽振動膜61的表面相反的表面的過程，那麼單晶矽振動膜61會被破壞。根據電容變換器陣列的該製造方法，在薄化第二矽基板55的過程之後，不存在增加熱滯後或者處理矽基板50的後表面的過程。因此，單晶矽振動膜61 較不易於被破壞，並且，可以防止電容變換器陣列的製造產量降低。上述的製造方法具有在與第二半導體基板接合之前在第一矽基板50中形成通孔 51的特徵。並且，在形成間隙53的過程之前，在第一矽基板50中形成通孔51，並且，在第 ー矽基板50的相反表面上以及在通孔51的側壁上形成第二絕緣層52。並且，在接合過程之後，形成導體59，並且，導體59從第一矽基板50的相反表面與矽膜56電氣連接。換句話說，在不暴露單晶矽振動膜61的狀態下形成絕緣層52和導體59。因此，可以容易地製造減少了單晶矽振動膜61的厚度波動和彈簧常數波動並且僅具有小的性能波動的電容變換器陣列。並且，由於不在電容變換器的前表面中形成通孔，因此，當在液體中使用電容變換器吋，可以防止液體進入後表面。以下，通過更具體的例子詳細描述本發明。(例子1)參照在描述上述的第一實施例時使用的圖IA IC描述例子1的電容變換器陣列的配置。在本例子中，電容變換器陣列也包括多個元件3，每個元件3包含多個單元結構1 和貫通布線2。在圖IA中，只示出四個元件3，但是可以配置任意數量的元件3。単元結構1包含具有Iym的厚度的單晶矽振動膜4、間隙5、用於支撐具有 0.01 Ω -cm的電阻率的單晶矽振動膜4的振動膜支撐部6和矽基板7。矽基板7具有300 μ m 的厚度和0.01 Ω · cm的電阻率。圖IA IC所示的単元結構1採取圓形的形狀，但是，可以採取方形或六邊形等的形狀。單晶矽振動膜4的主材料是單晶矽，並且，不在其上形成具有大的殘餘應カ的層，因此，電容變換器在元件3之間具有高的均一性，並且可減少傳送和接收性能波動。為了改進單晶矽振動膜4的導電特性，可以形成具有200nm的量級的厚度的薄鋁膜。在該配置中，單晶矽振動膜4採取具有30 μ m的直徑的圓形形狀。振動膜支撐部6由矽氧化物形成並具有500nm的高度。間隙5的量為200nm。貫通布線2包含通孔8、導體10以及用於使通孔8的側壁和矽基板7的一部分與導體10絕緣的絕緣層9。絕緣層9是具有Iym的厚度的矽氧化物膜。導體10是摻雜有雜質的多晶矽，並具有2 μ m的厚度。具有20 μ m的直徑的通孔8從包含單晶矽振動膜4的矽膜12無縫地延伸到矽基板7的後表面，並具有通過矽深度蝕刻形成的基本上垂直的形狀。通孔8 可被絕緣體或導體完全回填(backfill)。當通孔8不被完全回填吋，在通孔8中存在空氣間隙。即使當通孔8被完全回填吋，也可能在通孔8中留有空氣間隙。當傳送或接收超聲吋，超聲可被空氣間隙反射，並且，可能導致噪聲。但是，不在単元結構1的正下方設置通孔 8，因此，即使當在通孔8中存在空氣間隙吋，也可防止由於噪聲導致的靈敏度降低。元件3在分離位置11處相互電氣分離。通過在分離位置11處幹蝕刻包含單晶矽振動膜4的矽膜12形成電氣分離溝槽。為了提升要成為多個元件3的共用電極的矽基板7 的歐姆行為，在矽基板7的後表面上形成金屬(未示出)。金屬的結構為例如鈦/鉬/金的層疊結構。類似地，還在矽基板7的後表面側在形成貫通布線2的導體10上形成金屬(未示出)。本例子的電容變換器陣列的超聲的接收和傳送如以上描述的那樣。當在具有與液體中的聲阻抗類似的聲阻抗的材料中使用該配置的電容變換器陣列吋，中心頻率處於 7MHz的量級。3dB頻帶(呈現比峰值強度低約3dB或更低的強度的頻帶)為約2. 5MHz 11. 5MHz，並且，可以獲得寬帶特性。在本例子中，包含單晶矽振動膜4的矽膜12可被分割以使元件3相互電氣分離， 並且，矽基板7可被用作共用電極。該配置可提高電容變換器陣列的剛度，並且，即使當被安裝等時被施加應力，也可防止電容變換器被破壞。並且，在該配置中，單晶矽振動膜4經由垂直的貫通布線2被引出到後表面，因此，可以防止由於當形成貫通布線2的導體10或絕緣層9被形成時導致的水平差等所導致的短路和斷開。並且，如圖IC所示，在矽基板7的後表面上形成的絕緣層9沒有在整個後表面上形成，而是被分割。因此，可以防止由於由絕緣層9產生的應カ導致的整個矽基板7的變形。 如果整個矽基板7變形，那麼難以接合包含單晶矽振動膜4的矽膜12，因此，易於出現接合不良。因此，該配置可減少這樣的接合不良。並且，還可減少元件3之間的變形波動，因此， 在接收超聲時在各元件3中可減少要被測量的物體和元件3之間的距離的波動。並且，可減少在傳送時從各元件3產生的超聲的焦點位置的波動。(例子2)參照圖2描述例子2的電容變換器陣列的配置。圖2是本例子的電容超聲變換器陣列的截面圖。例子2的配置與例子1的配置基本上類似。単元結構1包含具有1 μ m的厚度的單晶矽振動膜4、間隙5、用幹支撐單晶矽振動膜4的振動膜支撐部6和矽基板7。矽基板7具有300 μ m的厚度和0. 01 Ω -cm的電阻率。 在該配置中，単元結構1採取具有40 μ m的直徑的圓形的形狀。振動膜支撐部6由矽氧化物形成並具有400nm的高度。間隙5的量為200nm。貫通布線2包含通孔8、導體10以及用於使通孔8的側壁和矽基板7的一部分與導體10絕緣的絕緣層9。絕緣層9是由TEOS膜形成的矽氧化物膜，並具有Iym的厚度。導體10是摻雜有雜質的多晶矽。導體10也可以是諸如銅的金屬。通孔8從包含單晶矽振動膜4的矽膜12的後表面無縫地延伸到矽基板7的後表面，並具有通過矽深度蝕刻形成的基本上垂直的形狀。在本例子中，在單晶矽振動膜4的後表面上連接導體10。在該配置中，不在元件3 側形成通孔，因此，當在液體等中使用電容變換器陣列吋，可以防止液體進入後表面。並且， 包含單晶矽振動膜4的矽膜12的後表面與導體10接觸，因此，可容易地獲得單晶矽振動膜 4和導體10之間的電氣導通。(例子3)參照在描述上述的第一實施例時使用的圖3A 3F描述例子3的電容變換器陣列的製造方法。如圖3A所示，在具有300 μ m的厚度的第一矽基板30上通過熱氧化形成作為矽氧化物的絕緣層31，並且，通過光刻或蝕刻形成間隙32。第一矽基板30的電阻率為 0.01 Ω · cm的量級。然後，如圖加所示，接合併薄化第二矽基板33。這裡，第二矽基板33是SOI基板。 在SOI基板中，活性層34具有1 μ m的厚度，BOX層35具有0. 4 μ m的厚度，並且，操作層36 具有525 μ m的厚度。SOI基板中的活性層34具有0. 1 Ω · cm的電阻率。使用具有士5% 或更小的厚度波動的活性層34，並且，直接接合活性層側。SOI基板33中的活性層具有小的厚度波動，因此，可以減小單晶矽振動膜43的厚度波動。因此，可以減小電容變換器的振動膜中的彈簧常數波動。通過去除操作層36實施SOI基板的薄化。可通過背研磨或鹼蝕刻去除操作層。然後，如圖3C所示，在包含單晶矽振動膜43的矽膜34上形成保護膜。使用SOI 基板中的BOX層35作為保護膜並且在其上形成矽氮化物膜38。在該過程隨後的過程中，當形成絕緣層40和導體41吋，該保護膜防止絕緣層和導體與單晶矽振動膜43直接接觸。然後，如圖3D所示，通過矽深度蝕刻形成具有20 μ m的直徑的通孔39，並且，通過熱氧化形成氧化物膜作為絕緣層40。在該過程中，如圖3C所示，由於在形成通孔39之前形成保護膜37和38並然後形成通孔39，因此，絕緣層40或導體41不直接沉積於單晶矽振動膜43上。由此，經由保護膜37和38在單晶矽振動膜43上形成絕緣層40或導體41。當在該過程隨後的過程中去除絕緣層40和導體41吋，可以在不蝕刻單晶矽振動膜43的情況下實施去除。由此，可以防止單晶矽振動膜43的厚度波動。優選地，通孔39在其側壁上幾乎沒有水平差。如果在通孔39的側壁上存在水平差，那麼，當形成絕緣層40和導體41吋，易於出現短路和斷開。在本例子中，通孔39是垂直的並且在其側壁上幾乎沒有水平差。然後，如圖3E所示，只有用於矽膜34和導體41之間的電氣連接的保護膜的接觸部被蝕刻，並且，形成作為摻雜有雜質的多晶矽的導體41。然後，去除沉積於包含單晶矽振動膜43的矽膜34上的導體41 (不包含接觸部處的區域)、絕緣層40和保護膜38。在通過使用氫氟酸去除作為BOX層(矽氧化物)的保護膜37的同吋，通過幹蝕刻去除導體41、絕緣層40和作為矽氮化物膜的保護膜38。這可在不增加單晶矽振動膜43的厚度波動的情況下暴露單晶矽振動膜43。然後，如圖3F所示，包含單晶矽振動膜43的矽膜34在分離位置42處被分割。這可使各元件相互電氣分離。在通過使用該製造方法製造的電容變換器陣列中，單晶矽振動膜43的厚度波動和彈簧常數波動可被減小以僅具有小的性能波動。
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(例子4)參照在描述上述的第二實施例時使用的圖4A 4E描述例子4的電容變換器陣列的製造方法。如圖4A所示，通過矽深度蝕刻在第一矽基板50中形成通孔51，並且，通過熱氧化形成作為矽氧化物的絕緣層52。第一矽基板50具有300 μ m的厚度和0. 01 Ω · cm的電阻率。由於用於形成單晶矽振動膜61的第二矽基板55與第一矽基板50的前表面側直接接合，因此，該表面需要保持其平坦性。在形成通孔51之前，通過熱氧化以0. 1 μ m的厚度在矽基板50上形成作為矽氧化物的保護膜(未示出)，並且，以0. 2 μ m的厚度在其上形成矽氮化物。通過熱氧化形成的矽氧化物膜不增加第一矽基板50的表面粗糙度。然後，形成通孔51，並且，通過熱氧化以1 μ m的厚度形成作為矽氧化物膜的絕緣層52，並且，去除矽基板50的前表面上的保護膜和絕緣層52。這使得能夠在保持0. 2nm或更小的表面粗糙度 Rms並且不増加第一矽基板50的表面粗糙度的同時製造圖4A所示的結構。因此，可以容易地接合另ー基板，並且，可以防止由於接合不良導致的製造產量的降低。然後，如圖4B所示，在第一矽基板50上通過熱氧化形成作為矽氧化物的絕緣層 54，並且，形成間隙53。絕緣層M具有400nm的厚度，並且，間隙53的量為200nm。然後， 如圖4C所示，用於形成單晶矽振動膜61的第二矽基板55被接合。第二矽基板55是如下這樣的SOI基板，其中活性層56具有1 μ m的厚度，BOX層57具有0. 4 μ m的厚度，並且，操作層58具有525 μ m的厚度。然後，如圖4D所示，形成作為摻雜有雜質的多晶矽的導體59。多晶矽具有2 μ m的厚度。在該過程中，包含單晶矽振動膜61的矽膜56的後表面和導體59可相互直接接合。 因此，可以經由通孔51將電信號從包含單晶矽振動膜61的矽膜56的後表面引出到矽基板 50的後表面。並且，如圖4E所示，薄化SOI基板55。通過背研磨或使用鹼溶液的溼蝕刻去除操作層58。並且，通過使用氫氟酸去除BOX層57。然後，包含單晶矽振動膜61的矽膜56在分離位置64處被分割。這可使元件相互電氣分離。在以這種方式製造的単元結構中，間隙 53之上的單晶矽振動膜61被振動膜支撐部62可振動地支撐。並且，在矽基板50的後表面的部分60處去除絕緣層52和導體59。通過上述的製造方法中的每ー個，可容易地製造減少單晶矽振動膜的厚度波動和彈簧常數波動並且僅具有小的性能波動的電容變換器陣列。並且，沒有在電容變換器的前表面中形成通孔，因此，當在液體中使用電容變換器時，可以防止液體進入後表面。並且，包含單晶矽振動膜61的矽膜56的後表面與導體59接觸，因此，可容易地獲得包含單晶矽振動膜61的矽膜56和導體59之間的電氣導通。雖然已參照示例性實施例說明了本發明，但應理解，本發明不限於公開的示例性實施例。以下的權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的變更方式和等同的結構和功能。
權利要求
1.一種電氣機械變換器，包括多個元件，每個元件包含至少一個單元結構，所述單元結構包含半導體基板； 半導體振動膜；和支撐部，用於支撐半導體振動膜以使得在半導體基板的一個表面和半導體振動膜之間形成間隙，其中，所述多個元件在包含半導體振動膜的半導體膜的分離位置處相互分離，並且， 所述多個元件中的每一個元件在貫通包含所述支撐部的第一絕緣層和半導體基板的通孔中包含與所述半導體膜連接的導體；和用於使所述導體與半導體基板絕緣的第二絕緣層。
2.根據權利要求1的電氣機械變換器，其中，半導體基板包含矽基板，半導體振動膜包含單晶矽振動膜，並且所述半導體膜包含矽膜。
3.根據權利要求1的電氣機械變換器，其中，所述半導體膜和所述導體在所述半導體膜的前表面和後表面之一上相互連接。
4.一種電氣機械變換器的製造方法，包括在第一半導體基板的一個表面上形成第一絕緣層並且在第一絕緣層中形成間隙；使第二半導體基板與第一絕緣層接合；薄化第二半導體基板以形成半導體膜；在第一半導體基板、第一絕緣層和半導體膜中形成通孔；在通孔的側壁上形成第二絕緣層；在第二絕緣層上形成導體；以及在分離位置處分割半導體膜以形成多個元件，其中，在形成第二絕緣層之前，在半導體膜上形成保護膜。
5.根據權利要求4的電氣機械變換器的製造方法，還包括在形成導體之後去除所述保護膜。
6.根據權利要求4的電氣機械變換器的製造方法，其中，所述保護膜包含矽氮化物膜。
7.一種電氣機械變換器的製造方法，包括在第一半導體基板的一個表面上形成第一絕緣層並且在第一絕緣層中形成間隙；使第二半導體基板與第一絕緣層接合；在第一半導體基板中形成通孔；在通孔的側壁上形成第二絕緣層；在第二絕緣層上形成導體；薄化第二半導體基板以形成半導體膜；以及在分離位置處分割半導體膜以形成多個元件，其中，在接合第二半導體基板之前，形成所述通孔和所述第二絕緣層，並且， 在接合第二半導體基板之後，形成所述導體。
8.根據權利要求7的電氣機械變換器的製造方法，其中，在形成間隙之前，形成第二絕緣層。
9. 一種電氣機械變換器，包括多個元件，每個元件包含至少一個單元結構，所述單元結構包含 矽基板；單晶矽振動膜；以及支撐部，用於支撐單晶矽振動膜以使得在矽基板的一個表面和單晶矽振動膜之間形成間隙，所述電氣機械變換器是通過根據權利要求4的製造方法製造的。
全文摘要
本發明公開了電氣機械變換器及其製造方法。電氣機械變換器包括多個元件，每個元件包含至少一個單元結構，所述單元結構包含半導體基板；半導體振動膜；和支撐部，用於支撐振動膜以使得在基板的一個表面和振動膜之間形成間隙。該多個元件在包含振動膜的半導體膜的分離位置處相互分離。該多個元件中的每一個元件在貫通包含所述支撐部的第一絕緣層和半導體基板的通孔中包含與包含所述振動膜的所述半導體膜連接的導體；和用於使所述導體與半導體基板絕緣的第二絕緣層。
文檔編號B06B1/02GK102569306SQ201110310468
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月14日 優先權日2010年10月15日
發明者秋山貴弘, 虎島和敏 申請人:佳能株式會社