柔性微机电系统换能器的制造方法 【技术领域】
本发明涉及微机电系统(MEMS)结构。更具体地，本发明涉及形成在柔性衬底上的MEMS换能器、其制造方法和结合了MEMS换能器的柔性MEMS无线扩音器。
背景技术
随着极小型器件需求的增加，采用微加工技术的半导体处理技术被用于集成微型器件。微机电系统(MEMS)的领域是制造和测试微型传感器和激励器的领域，它们的尺寸为微米(μm)数量级，并且采用半导体处理中、特别是集成电路技术中微加工技术的机电结构。
在MEMS中采用的微加工技术大致分为两类。第一种微加工技术是通过硅体刻蚀进行的体微加工技术。第二种微加工技术是通过如下步骤进行的表面微加工技术：在硅上沉积多晶硅、氮化硅和氧化硅的膜并根据预定图形刻蚀该沉积的膜以便形成结构。例如，采用MEMS工艺制造的超小型扩音器的形成是使用由体微加工技术形成的膜片换能器实现的。
图1示出了传统MEMS换能器的剖视图。如图1所示，传统MEMS换能器包括氮化硅膜片层、通过化学汽相沉积(CVD)工艺涂敷的SiO2层、氧化锌(ZnO)压电膜、以及在硅晶片(Si)上的上电极和下电极。在硅晶片上形成氮化硅薄膜和氧化硅层的CVD工艺是需要约780到850℃的处理温度的高温工艺。因此，除了硅晶片之外不可能采用柔性聚合物材料作为衬底材料。
同时，随着信息通信工业的发展，对手持式或便携式的信息终端地需求也同样增加。这种需求的增加部分是由于这种信息终端适用于不同的领域，如医学、服务、娱乐、军事和信息通信。为了方便使用这些信息终端，这些终端的部件应该在移动性和便携性方面具有优异特性。特别是，为了实现便携的系统，柔性系统结构是必要的。因此，需要将功能结构和其它电气部件一起集成在柔性衬底上的技术。
作为柔性衬底，可采用金属薄膜或聚合物材料。聚合物材料更适于用在电子系统中。然而聚合物材料具有在500℃或低温范围内的低熔点。因而，当对聚合物材料进行用于在高温下形成薄膜的工艺时，聚合物材料将变坏。因此，在需要高于聚合物材料的熔点的处理温度的制造MEMS的工艺中，聚合物材料不适于用作衬底材料，如晶片。实际上，被广泛使用并在性能和集成度上具有优异特性的硅MEMS和半导体通常是通过包括至少500℃的高温处理的方法制造的。因此，不能使用柔性系统结构所需的由高分子(聚合物)材料组成的衬底。
具体而言，传统MEMS结构是通过如下步骤形成的：通过化学汽相沉积(CVD)在衬底上沉积薄膜，然后进行刻蚀处理。然而，由于通过CVD形成高效薄膜需要非常高的温度，因此低熔点衬底如聚合物、玻璃等都不能使用。
为了克服这些问题，如图2所示，传统方法通过以下步骤制造柔性器件：采用硅MEMS工艺在硅衬底10上形成传感器器件30，从硅衬底10的背面在硅岛之间进行切割，然后沉积聚合物11。然而，这种方法的缺点是使用了采用高温处理的传统的硅MEMS工艺和在最后步骤中额外进行聚合物工艺，由此增加了整个制造工艺的复杂性和成本。
【发明内容】
为了至少解决现有技术中的某些上述问题而做出了本发明。相应地，本发明的一个方面是通过采用等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)工艺在柔性聚合物衬底上形成MEMS换能器结构来提供一种具有柔软性(softness)、柔性(flexibility)和可折叠性的扩音器。
本发明的上述方面是通过提供一种制造柔性MEMS换能器的方法实现的，该方法包括：在柔性衬底上形成牺牲层；通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)在牺牲层上依次沉积薄膜层、下电极层、有源层、和上电极层；对上电极层、有源层、和下电极层依次进行图形化；沉积上保护层以覆盖上电极层、下电极层和有源层；对上保护层进行图形化以连接到下电极层和上电极层，然后沉积连接焊盘层并对连接焊盘层进行图形化以形成要连接到下电极层的第一连接焊盘和要连接到上电极层的第二连接焊盘；和对薄膜层进行图形化以露出牺牲层并去除牺牲层。
优选衬底由柔性高分子材料例如聚酰亚胺形成，或者优选衬底由聚合物或金属薄膜形成。
优选地，柔性MEMS换能器的制造方法还包括在柔性衬底上沉积牺牲层之前，通过在柔性衬底上沉积氮化硅或氧化硅而形成下保护层。
优选地，形成牺牲层是如下进行的：在衬底上涂敷聚酰亚胺层和根据薄膜层的结构通过湿法刻蚀或干法刻蚀对涂敷的聚酰亚胺层进行图形化。
优选地，通过PECVD将氮化硅沉积成小于约5μm的厚度而形成薄膜层。
优选地，上电极层和下电极层是由选自由金属和导电聚合物构成的组中的材料形成的，并且厚度在约0.01μm～5μm之间。优选地，第一连接焊盘和第二连接焊盘由选自由金属和导电聚合物构成的组中的材料形成。
优选地，有源层是通过旋涂法或蒸发法在下电极上沉积压电聚合物形成的，如PVDF、PVDF-TrEF、TrEF、聚脲、聚酰亚胺和尼龙。这里，有源层形成为约1μm～10μm的厚度，高度为约50μm到1000μm之间，并且谐振频率在约1Hz到100kHz之间。
优选地，对薄膜层的图形化是通过干法刻蚀进行的，对有源层的图形化是通过湿法刻蚀或干法刻蚀进行的。
优选地，上保护层是通过利用PECVD沉积厚度为约1μm到10μm的氮化硅和氧化硅形成的。优选地，对上保护层的图形化是通过湿法刻蚀或干法刻蚀进行的。
【附图说明】
通过参照附图对本发明的优选实施例的详细说明使本发明的上述和其它方面和优点对于本领域技术人员来说更显然，其中：
图1表示传统MEMS换能器的剖视图；
图2表示传统柔性MEMS传感器的剖视图；
图3表示根据本发明实施例的膜片型换能器的剖视图；
图4表示根据本发明实施例的悬臂型换能器的剖视图；和
图5A-5J表示图4的悬臂型换能器的制造工艺中的各个阶段的剖视图。
【具体实施方式】
在本申请中引用了在2002年9月26日申请的、题目为“柔性MEMS换能器制造方法”的韩国专利申请No.2002-58316供参考。
下面参照附图详细介绍本发明，其中本发明的优选实施例示于附图中。然而，本发明可以以不同的形式体现并且不应该认为仅限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例，以便本说明书将更清楚、完整，和更全面地向本领域技术人员展示本发明的范围。附图中，为清楚起见将层和区域的厚度放大了。还应该理解当称一层位于另一层或衬底“上”时，它可以直接位于另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。本申请中相同的标记表示相同的元件。
图3表示根据本发明实施例的膜片型柔性换能器的剖视图。图4表示根据本发明实施例的悬臂型换能器的剖视图。如图3和4所示，根据本发明实施例的换能器包括柔性衬底100和换能器结构，其中在柔性衬底100上已经通过利用等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)或溅射法沉积氮化硅或氧化硅而形成下保护层110，所述换能器结构包括通过在低温下通过PECVD形成的薄膜层220、下电极层230、优选为压电聚合物有源层的有源层240、上电极层250和连接焊盘271和272。在膜片型或悬臂型换能器的情况下，在衬底100上形成牺牲层，薄膜层220被沉积在牺牲层上，然后通过刻蚀剂去除牺牲层以便在薄膜层220上形成凸起部分。更具体地，在悬臂型换能器的情况下，去除牺牲层是通过从开口侧去除牺牲层进行的，在膜片型换能器的情况下，该去除步骤是通过刻蚀而在薄膜层220的凸起部分上形成预定通道孔和通过该通道孔注入刻蚀剂进行的。
图5A-5J依次表示根据本发明优选实施例的悬臂型柔性换能器的制造工艺的各个阶段。图中所示的示意性的换能器是悬臂型的，下面参照图5A-5J介绍制造悬臂型换能器的示意性工艺。
如图5A所示，柔性换能器的制造工艺开始是在柔性衬底100上涂敷下保护层110。作为衬底100的材料，使用柔性材料。这种柔性材料可包括高分子(聚合物)材料，如聚合物或聚酰亚胺，或者金属薄膜。高分子材料是用在电子系统如扩音器中的优选材料。下保护层110是通过利用PECVD或溅射法涂敷氮化硅或氧化硅形成的。优选地，下保护层110的厚度为小于约10μm。通过采用PECVD或溅射工艺，可以在约400℃或以下的低温下进行该工艺。下保护层110用于保护衬底100和便于后来沉积的各层的粘接。
如图5B所示，在其上涂敷了下保护层110的柔性衬底100上，沉积牺牲层210，它用于形成设有凸起部分的薄膜层。牺牲层210是通过涂敷厚度为小于约10μm的聚酰亚胺，并随后根据薄膜层的预定结构对聚酰亚胺进行图形化而形成的。
现在参照图5C，在图形化的牺牲层210上，沉积薄膜层220。薄膜层220是通过利用PECVD在低温工艺中涂敷氮化硅而形成的。优选地，薄膜层220具有小于约5μm的厚度。然后，在薄膜层220上沉积下电极层230。然后在下电极层230上涂敷有源层240。有源层240是通过利用旋涂法或蒸发法涂敷压电聚合物如PVDF、PVDF-TrEF、TrEF、聚脲、聚酰亚胺、尼龙等形成的。优选地，有源层240的厚度在约1μm到10μm之间，长度在约50μm到1000μm之间。优选地，有源层240的谐振频率为约1Hz到约100kHz之间。然后在压电聚合物有源层240上沉积上电极层250。下电极层230和上电极层250是通过沉积金属如铝、或导电聚合物形成的。优选地，下电极层230和上电极层250各具有约0.01～5μm的厚度。
在图5D中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀对上电极层250和有源层240进行图形化。在图5E中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀对下电极层230进行图形化。
接着，在图5F中，形成上保护层260，以便在通过刻蚀去除牺牲层210期间保护压电聚合物有源层240。上保护层260是通过利用PECVD沉积厚度约为1μm到10μm的氮化硅或氧化硅形成的，以便覆盖上、下电极层230和250以及有源层240。在图5G中，通过湿法刻蚀或干法刻蚀对上保护层260进行图形化。
在形成上保护层260之后，在图5H中，形成分别电连接到上电极层250和下电极层230的连接焊盘271和272。连接焊盘271和272是通过如下步骤形成的：利用湿法刻蚀或干法刻蚀对上保护层260的分别连接到上、下电极层250和230的部分进行图形化，并在其上涂敷金属，如铝，或者导电聚合物。
最后，如图5I和5J所示，在图形化薄膜层220以露出牺牲层210之后，通过注入刻蚀剂利用干法刻蚀去除牺牲层210，由此完成柔性悬臂型MEMS换能器的形成。
根据上述制造方法，可以采用低温工艺如PECVD在柔性衬底100如聚合物上形成换能器结构200。因此，在根据本发明实施例的换能器结构200中，薄层的沉积是通过采用PECVD或溅射法进行的，代替了需要约780℃到850℃的高温处理的CVD。在需要温度值上的这个差别的原因涉及到在各个工艺中使用的能量源。具体而言，PECVD工艺采用等离子体作为反应所需要的能量源，而传统CVD工艺采用热能。因此，可以减少热能并在PECVD中在低温下可以形成薄层。更具体地，可以在低温下沉积构成换能器结构200的薄层，由此允许采用柔性聚合物衬底100。因而，根据本发明，可以制造软材料的柔性扩音器。
由于其上形成有柔性MEMS换能器的衬底100具有类似纸一样的特点，因此可以根据所需的扩音器三维结构进行切割和折叠，以便被封装和组装成用于封装的所需的三维结构。因此，本发明提供了一种高度柔性的扩音器。
特别是，由于采用柔性聚合物衬底，根据本发明实施例的扩音器结构是柔性的和可折叠的。因而，可以通过根据所需的三维结构切割和折叠层叠了其它元件的衬底，并将其组装成所需的三维扩音器，从而将扩音器封装成所需的三维结构。
如上所述，根据本发明，由于可以通过低温工艺制备换能器结构，因此可以采用柔性聚合物衬底。因而，通过简单工艺在低温下以降低的成本就可以制造成在集成度、可移动性、柔软性、柔性、可折叠性和便携性方面具有优异特性的柔性扩音器系统。
这里已经公开了本发明的优选实施例，虽然使用了具体术语，使用它们只是为了一般性的和描述性的说明而不是限制性的。因而，本领域普通技术人员都能理解在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以对本发明的形式和细节做各种改变。