[发明专利]高密度多极化薄膜压电装置及其制造方法

说明书

公开了具有改进的封装密度的多极化压电装置，以及用于制造此类具有改进的封装密度的多极化压电装置的方法。所述多极化压电装置包括：a)制造在基板上的顶部电极、压电层和底部电极；b)通过蚀刻所述压电层、所述顶部电极或两者而生成的过孔；以及c)放置在以下一个或多个之上的再分布层(RDL)：所述顶部电极、所述压电层、所述底部电极或一个或多个过孔。

交叉引用

本申请要求2019年2月28日提交的名称为“High Density Multi-Poled ThinFilm Piezoelectric Devices and Methods of Making the Same”的美国临时申请号62/811,960的权益，前述申请出于所有目的通过引用整体并入本文。

背景技术

压电装置在其操作中利用压电材料。薄膜压电装置包括压电材料，该压电材料是薄膜，而不是块体材料。薄膜压电装置可以包括电容器、存储器单元、喷墨打印头、压电微机械超声换能器(pMUT)和陀螺仪。

发明内容

薄膜可以具有沿垂直方向基本上大于其厚度或深度的横向尺寸(例如，大10x或100x)。压电装置中的薄膜可以大约10μm厚或更薄。示例性薄膜压电装置可以包括电容器、存储器单元、喷墨打印头、pMUT和陀螺仪。传感器和致动器区域中可以存在众多其他应用，诸如微镜致动器、扬声器、麦克风、自动对焦驱动器、被动红外探测器等。

当低于其居里温度Tc时，压电材料可以变成铁电的。当是铁电的时，压电材料的晶胞可以在其晶胞中具有不对称性，使得带电的组成离子形成偶极子(例如，正电荷中心从负电荷中心移位)。偶极子可以形成域，其中所有偶极子都指向相同方向。在一些实施方式中，压电材料具有多个域，每个结构域的偶极矩与(一个或多个)相邻域成180度或90度。由压电材料的晶体边界分隔的域可以采用任何相对取向。在一些实施方式中，极化的过程使压电材料内的域，以及不同压电材料的偶极子基本上沿一个方向对齐。

在一些情况下，如果其具有多极方向(例如，两个方向)，则薄膜压电装置能够具有更好的性能。例如，使用双极膜增加用于膜的偏转的电荷，同时减少换能器所需的多个电极连接。生成更多电荷提高换能器的性能。利用弯曲梁/隔膜的致动器和传感器是这样的装置的示例，并且包括pMUT、喷墨打印头、陀螺仪、扬声器、麦克风、镜像致动器和自动聚焦驱动器。例如，对于具有双极膜的pMUT，驱动和/或感测方案可以比具有单极薄膜的装置更简单或更容易地实现。另外，需要更简单的方案(例如，用于偏置电压)以保持双极膜与单极膜相比是极化的。在一些实施方式中，为了使压电膜在操作期间保持极化，通常跨膜维持与偏振方向对齐的恒定偏置电压Vb。在操作期间使膜极化有助于保持在一个方向上对准的压电膜的偶极矩，从而能够良好地操作装置。可以使用时间依赖性操作电压，Vd(t)，使得Vb+Vd(t)始终与偏振方向对齐。在一些实施方式中，这确保了压电膜保持极化。

在一些实施方式中，本文的公开内容包括独立的多极化压电装置，其可以使用均在基板上制造的相同顶部电极、压电层、底部电极来生产。在一些实施方式中，本文的方法和装置有利地包括相比现有过孔具有改进的形貌的垂直互连通路(过孔)。在一些实施方式中，本文的方法和装置有利地包括比现有过孔相比允许更高的压电装置封装密度的过孔。在一些实施方式中，本文的方法和装置有利地包括在压电层处具有阶梯式轮廓的过孔。在一些实施方式中，本文的方法有利地组合两种不同的蚀刻方法来蚀刻压电层，从而生成改进的过孔轮廓。在一些实施方式中，高封装密度多极化压电装置用于超声成像的pMUT中。在一些实施方式中，可以使用均在基板上制造的相同顶部电极、压电层、底部电极来生产包括本文的高封装密度多极化压电装置的pMUT。在一些实施方式中，包括本文的高封装密度多极化压电装置的pMUT包括与现有过孔相比具有改善的形貌的过孔。