一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器的制造方法
【專利摘要】一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器，它包括壓電陶瓷基體及壓電陶瓷基體表面電極，其特殊之處是，所述的壓電陶瓷基體表面電極為多電極分區(qū)，分區(qū)后各電極區(qū)間各自獨(dú)立或各電極互連，各電極之間的間隔距離小于壓電陶瓷基體厚度，且各分區(qū)電極主體面積基本一致；本發(fā)明通過在兆聲波換能器壓電陶瓷基體表面設(shè)置多電極分區(qū)的形式，使換能器輻射聲波實(shí)現(xiàn)輻射振幅及聲場的均勻。能夠有效地減少或消除片型壓電陶瓷徑向振動(dòng)對厚度振動(dòng)的耦合干擾，在換能器與晶片或待處理基片與處理液層之間的流體層內(nèi)形成均勻聲場，由此達(dá)到均勻處理基片的效果，避免在兆聲波處理基片工藝中產(chǎn)生的晶片表面損傷或表面處理效果不一致的情況，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【專利說明】
一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及兆聲波應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]兆聲是指聲波頻率在800kHz以上的超聲波，有著小振幅高聲強(qiáng)、低空化的特點(diǎn)，它對液體中的微小顆粒有良好的振動(dòng)攪拌、分散的效果，兆聲被應(yīng)用于清洗、霧化、納米顆粒分散、拋光等處理領(lǐng)域。
[0003]兆聲已在精密光學(xué)、電子器件的無損清洗中廣泛應(yīng)用且有顯著效果。然而，在高頻率的兆聲域，集成電路晶圓基片腐蝕清洗的均勻性是具有挑戰(zhàn)性的問題。由于兆聲波聲場存在嚴(yán)重的不均勻或干涉現(xiàn)象，晶片上會(huì)形成很多聲場強(qiáng)度很高的熱點(diǎn)，同時(shí)也形成很多聲場強(qiáng)度很低的死點(diǎn)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)清洗或腐蝕效果的一致性，腐蝕清洗中的聲場要求沒有或盡可能少的有聲干涉產(chǎn)生熱點(diǎn)和死點(diǎn)，也就是要有足夠的聲場強(qiáng)度的均勻性以避免晶片表面和特征結(jié)構(gòu)損壞。
[0005]發(fā)明專利CN 102500540 A公開了一種設(shè)置微聲共振腔陣列，當(dāng)兆聲波從振子2發(fā)出后，通過換能器I傳播，在微聲共振腔陣列8中形成多次反射、漫反射、折射、透射，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生頻率相移，形成在換能器I與晶片之間的流體層內(nèi)的均勻聲場，由此達(dá)到均勻腐蝕及清洗的效果。但微聲共振腔對腔體的加工要求較高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0006]實(shí)際上，兆聲振動(dòng)的壓電換能器多為厚度振動(dòng)的壓電陶瓷片，現(xiàn)有的壓電陶瓷成型技術(shù)，使得壓電陶瓷在橫向尺度上已經(jīng)能夠做的比較大，可以滿足實(shí)際兆聲處理工作中兆聲作用面積及發(fā)射聲功率的要求。然而，由于壓電陶瓷本身的橫向和厚度振動(dòng)的強(qiáng)烈耦合，使得整個(gè)壓電陶瓷片難以達(dá)到設(shè)計(jì)的工作頻率，不能滿足頻帶寬度以及相位、振幅一致性的要求。
[0007]實(shí)際的功率兆聲發(fā)生器多采用換能器陣的結(jié)構(gòu)形式，壓電晶片組成鑲嵌基陣的形式實(shí)現(xiàn)兆聲作用幅面的擴(kuò)大。發(fā)明專利CN1822905A公開了兆聲能量處理基片的諸多結(jié)構(gòu)形式及方法，為了擴(kuò)大兆聲處理的作用面積，采用諸多壓電陶瓷貼片鑲嵌成基陣的形式，整體上達(dá)到了大面積兆聲作用的效果，然而，聲場的均勻性依然很難保證。
[0008]目前，壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的換能器陣在聲發(fā)射乃至兆聲處理基片領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。發(fā)明專利CN 101918151 A公開了一種用于處理基板的復(fù)合換能器裝置和系統(tǒng)及其構(gòu)造方法:由壓電材料制成的多個(gè)柱體，這些柱體以相互間隔的方式排列以便相鄰柱體之間存在間隔;這些柱體具有寬度和在頂面和底面之間延伸的高度，其中，柱體的高度大于柱體的寬度，并用彈性材料填充所述間隔以形成復(fù)合部件。鑲嵌基陣形式或此發(fā)明采用的鑲嵌基陣填充復(fù)合材料的形式要求壓電陶瓷單陣元具有高度的一致性，對陶瓷元件的加工制作、粘貼要求比較苛刻。
[0009]發(fā)明專利CN1817486A公開了一種壓電復(fù)合結(jié)構(gòu)的換能器陣的制作方法，解決了以前采用壓電陶瓷換能器帶來的較強(qiáng)的橫向和厚度振動(dòng)模耦合的問題，易于達(dá)到設(shè)計(jì)的工作頻率、靈敏度、帶寬和相位、幅值一致性的要求。且克服了壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在受熱或外力沖擊下易變形、性能不穩(wěn)定的問題，然而，采用此種基體切割填充的方法，不僅使兆聲壓電換能器的制作工藝變得非常復(fù)雜，而且，對填充材料的要求較高，使換能器成本極大增加。
[0010]因此，實(shí)現(xiàn)兆聲波作用的均勻性已經(jīng)成為兆聲方法處理基片的關(guān)鍵問題。是減少基片損傷以及實(shí)現(xiàn)基片表面質(zhì)量一致性的核心技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器，產(chǎn)生高效、且均勻作用于基片的兆聲聲波，實(shí)現(xiàn)基片表面的一致性無損傷的兆聲處理效果。
[0012]本發(fā)明包括壓電陶瓷基體及壓電陶瓷基體表面電極，其特殊之處是，所述的壓電陶瓷基體表面電極為多電極分區(qū)，分區(qū)后各電極區(qū)間各自獨(dú)立或各電極互連，各電極之間的間隔距離小于壓電陶瓷基體厚度，以使兆聲聲波能量在非電極區(qū)衰減可以忽略，且各分區(qū)電極主體面積基本一致，抑制壓電陶瓷基體除厚度振動(dòng)以外的其他耦合振動(dòng)，使換能器福射出均勾的聲場。
[0013]所述的壓電陶瓷基體為矩形片或圓片，對于圓片型壓電陶瓷基體，電極形式為矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，抑制徑向方向的耦合振動(dòng)，對于矩形片型壓電陶瓷基體，電極形式為與矩形片邊界不平行的矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，抑制徑向振動(dòng)產(chǎn)生駐波型態(tài)。
[0014]在壓電陶瓷基體上還粘貼有匹配層，壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為單面電極分區(qū)時(shí)，粘貼匹配層面為全電極，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，以減少分區(qū)工藝，壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為雙面電極分區(qū)時(shí)，粘貼面為電極分區(qū)互連，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，方便粘貼面電極引線，雙面電極分區(qū)其分區(qū)形式采用雙面分區(qū)非對應(yīng)的交錯(cuò)形式，以獲得更加均勻的輻射兆聲場。
[0015]本發(fā)明通過在兆聲波換能器壓電陶瓷基體表面設(shè)置多電極分區(qū)的形式，使換能器輻射聲波實(shí)現(xiàn)輻射振幅及聲場的均勻。有效地減少或消除了片型壓電陶瓷徑向振動(dòng)對厚度振動(dòng)的耦合干擾，在換能器與晶片或待處理基片與處理液層之間的流體層內(nèi)形成均勻聲場，由此達(dá)到均勻處理基片的效果，避免在兆聲波處理基片工藝中產(chǎn)生的晶片表面損傷或表面處理效果不一致的情況，壓電陶瓷基體表面的多電極分區(qū)，依照傳統(tǒng)全電極的壓電陶瓷制作工藝，僅需在涂覆電極之時(shí)，加以掩模，即可實(shí)現(xiàn)電極的分區(qū)及互連，且電極分區(qū)的兆聲壓電換能器結(jié)構(gòu)形式簡單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1的俯視圖；
圖3、圖5、圖7、圖9、圖12是本發(fā)明其他實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是圖3的俯視圖；
圖6是圖5的俯視圖；
圖8是圖7的俯視圖； 圖10是圖9的俯視圖；
圖11是圖10的俯視圖；
圖13是圖12的俯視圖；
圖14是圖13的俯視圖；
圖15是電極分區(qū)前全電極壓電振子振幅分布圖；
圖16是電極分區(qū)后壓電振子振幅分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:
如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括壓電陶瓷基體I及壓電陶瓷基體表面電極2，所述的壓電陶瓷基體I為圓片，壓電陶瓷基體表面電極2為多電極分區(qū)，電極形式為矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，即由多個(gè)矩形電極2分區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀電極，矩形電極2之間用間隔3分區(qū)，分區(qū)后各電極2區(qū)間各自獨(dú)立，各電極2之間的間隔距離小于壓電陶瓷基體I厚度，即間隔3的寬度小于壓電陶瓷基體I厚度，以使兆聲聲波能量在非電極區(qū)衰減可以忽略，且各電極2主體面積基本一致，SP除了圓形邊緣處的電極2外，中心部位的電極2均為矩形，且電極2主體面積一致，抑制壓電陶瓷基體I除厚度振動(dòng)以外的其他耦合振動(dòng)，使換能器輻射出均勻的聲場。
[0018]實(shí)施例2:
如圖3和圖4所示，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1，不同之處在于，分區(qū)后各電極2區(qū)間各電極互連，即在電極2之間有縱向連接區(qū)4，將各電極2在縱向連接起來，在電極2之間還有橫向連接區(qū)5，將各縱向連接起來的電極2從橫向再連接起來，使各電極2區(qū)間相互連接在一起，以方便連接電極引線。
[0019]實(shí)施例3:
如圖5和圖6所示，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例1，不同之處在于，壓電陶瓷基體6為矩形片，壓電陶瓷基體表面電極7為多電極分區(qū)，電極形式為矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，矩形電極7之間用間隔8分區(qū)，分區(qū)后各電極7區(qū)間各自獨(dú)立，電極形式為與矩形片邊界不平行的矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，抑制徑向振動(dòng)產(chǎn)生駐波型態(tài)。
[0020]實(shí)施例4:
如圖7和圖8所示，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例3，不同之處在于，分區(qū)后各電極7區(qū)間各電極互連，即在電極7之間有縱向連接區(qū)9，將各電極7在縱向連接起來，在電極7之間還有橫向連接區(qū)1，將各縱向連接起來的電極7從橫向再連接起來，使各電極7區(qū)間相互連接在一起，以方便連接電極引線。
[0021]實(shí)施例5:
如圖9、圖10和圖11所示，在壓電陶瓷基體I上還粘貼有匹配層11，所述的壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為單面電極分區(qū)，即粘貼匹配層面為全電極12，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，其電極分區(qū)形式如實(shí)施例1，以減少分區(qū)工藝。
[0022]實(shí)施例6:
如圖12、圖13和圖14所示，其結(jié)構(gòu)如實(shí)施例5，不同之處在于，
壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為雙面電極分區(qū)，粘貼面為電極分區(qū)互連，其電極分區(qū)形式如實(shí)施例2，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，其電極分區(qū)形式如實(shí)施例1，方便粘貼面電極引線;雙面電極分區(qū)其分區(qū)形式采用雙面分區(qū)非對應(yīng)的交錯(cuò)形式，即粘貼面的電極2與非粘貼面的電極2相互錯(cuò)開，以獲得更加均勻的輻射兆聲場。
[0023]圖15是電極分區(qū)前全電極壓電振子振幅分布圖，圖16是電極分區(qū)后壓電振子振幅分布圖，在使用同一兆聲波發(fā)生器，相同功率驅(qū)動(dòng)下，利用多普勒激光測振儀Polytec-0FV505對壓電振子的面振振幅進(jìn)行測試，測點(diǎn)間間隔為2mm;從振幅測量結(jié)果中可以看出，電極分區(qū)前全電極壓電振子存在振幅不均勻的徑向節(jié)圓，所謂的徑向節(jié)圓就是圖15中顯示的由大小不等的斑塊構(gòu)成的若干個(gè)圓；電極分區(qū)后，斑塊減少，節(jié)圓消除，振幅變得更加均勻;根據(jù)測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，振子振動(dòng)的振幅均值由15.5351nm升高至17.3991nm，與此同時(shí)，表征振幅均勻性的振幅的標(biāo)準(zhǔn)差由15.6156nm降至3.9517nm，這就使得分區(qū)后的振子振幅更加均勻;而振源振幅的一致性很大程度上影響了處理晶片過程的聲波能量的一致性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器，它包括壓電陶瓷基體及壓電陶瓷基體表面電極，其特征在于，所述的壓電陶瓷基體表面電極為多電極分區(qū)，分區(qū)后各電極區(qū)間各自獨(dú)立或各電極互連，各電極之間的間隔距離小于壓電陶瓷基體厚度，且各分區(qū)電極主體面積基本一致。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器，其特征在于，所述的壓電陶瓷基體為矩形片或圓片，對于圓片型壓電陶瓷基體，電極形式為矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)，對于矩形片型壓電陶瓷基體，電極形式為與矩形片邊界不平行的矩形網(wǎng)狀電極分區(qū)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻兆聲作用的基片處理壓電換能器，其特征在于，在壓電陶瓷基體上還粘貼有匹配層，壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為單面電極分區(qū)時(shí)，粘貼匹配層面為全電極，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，壓電陶瓷基體表面電極分區(qū)為雙面電極分區(qū)時(shí)，粘貼面為電極分區(qū)互連，非粘貼面為電極分區(qū)各自獨(dú)立，雙面電極分區(qū)其分區(qū)形式采用雙面分區(qū)非對應(yīng)的交錯(cuò)形式。
【文檔編號】H01L41/047GK106067512SQ201610625212
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年8月3日
【發(fā)明人】翟科, 何勍, 任奕
【申請人】遼寧工業(yè)大學(xué)