一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器的制造方法
【专利摘要】一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器，它包括压电陶瓷基体及压电陶瓷基体表面电极，其特殊之处是，所述的压电陶瓷基体表面电极为多电极分区，分区后各电极区间各自独立或各电极互连，各电极之间的间隔距离小于压电陶瓷基体厚度，且各分区电极主体面积基本一致；本发明通过在兆声波换能器压电陶瓷基体表面设置多电极分区的形式，使换能器辐射声波实现辐射振幅及声场的均匀。能够有效地减少或消除片型压电陶瓷径向振动对厚度振动的耦合干扰，在换能器与晶片或待处理基片与处理液层之间的流体层内形成均匀声场，由此达到均匀处理基片的效果，避免在兆声波处理基片工艺中产生的晶片表面损伤或表面处理效果不一致的情况，具有很强的实用性。
【专利说明】
一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器
技术领域
[0001]本发明涉及兆声波应用领域，特别涉及一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器。
【背景技术】
[0002]兆声是指声波频率在800kHz以上的超声波，有着小振幅高声强、低空化的特点，它对液体中的微小颗粒有良好的振动搅拌、分散的效果，兆声被应用于清洗、雾化、纳米颗粒分散、抛光等处理领域。
[0003]兆声已在精密光学、电子器件的无损清洗中广泛应用且有显著效果。然而，在高频率的兆声域，集成电路晶圆基片腐蚀清洗的均匀性是具有挑战性的问题。由于兆声波声场存在严重的不均匀或干涉现象，晶片上会形成很多声场强度很高的热点，同时也形成很多声场强度很低的死点。
[0004]为实现清洗或腐蚀效果的一致性，腐蚀清洗中的声场要求没有或尽可能少的有声干涉产生热点和死点，也就是要有足够的声场强度的均匀性以避免晶片表面和特征结构损坏。
[0005]发明专利CN 102500540 A公开了一种设置微声共振腔阵列，当兆声波从振子2发出后，通过换能器I传播，在微声共振腔阵列8中形成多次反射、漫反射、折射、透射，并在这个过程中产生频率相移，形成在换能器I与晶片之间的流体层内的均匀声场，由此达到均匀腐蚀及清洗的效果。但微声共振腔对腔体的加工要求较高，且结构复杂。
[0006]实际上，兆声振动的压电换能器多为厚度振动的压电陶瓷片，现有的压电陶瓷成型技术，使得压电陶瓷在横向尺度上已经能够做的比较大，可以满足实际兆声处理工作中兆声作用面积及发射声功率的要求。然而，由于压电陶瓷本身的横向和厚度振动的强烈耦合，使得整个压电陶瓷片难以达到设计的工作频率，不能满足频带宽度以及相位、振幅一致性的要求。
[0007]实际的功率兆声发生器多采用换能器阵的结构形式，压电晶片组成镶嵌基阵的形式实现兆声作用幅面的扩大。发明专利CN1822905A公开了兆声能量处理基片的诸多结构形式及方法，为了扩大兆声处理的作用面积，采用诸多压电陶瓷贴片镶嵌成基阵的形式，整体上达到了大面积兆声作用的效果，然而，声场的均匀性依然很难保证。
[0008]目前，压电复合材料结构的换能器阵在声发射乃至兆声处理基片领域得到了广泛应用。发明专利CN 101918151 A公开了一种用于处理基板的复合换能器装置和系统及其构造方法:由压电材料制成的多个柱体，这些柱体以相互间隔的方式排列以便相邻柱体之间存在间隔;这些柱体具有宽度和在顶面和底面之间延伸的高度，其中，柱体的高度大于柱体的宽度，并用弹性材料填充所述间隔以形成复合部件。镶嵌基阵形式或此发明采用的镶嵌基阵填充复合材料的形式要求压电陶瓷单阵元具有高度的一致性，对陶瓷元件的加工制作、粘贴要求比较苛刻。
[0009]发明专利CN1817486A公开了一种压电复合结构的换能器阵的制作方法，解决了以前采用压电陶瓷换能器带来的较强的横向和厚度振动模耦合的问题，易于达到设计的工作频率、灵敏度、带宽和相位、幅值一致性的要求。且克服了压电复合材料结构在受热或外力冲击下易变形、性能不稳定的问题，然而，采用此种基体切割填充的方法，不仅使兆声压电换能器的制作工艺变得非常复杂，而且，对填充材料的要求较高，使换能器成本极大增加。
[0010]因此，实现兆声波作用的均匀性已经成为兆声方法处理基片的关键问题。是减少基片损伤以及实现基片表面质量一致性的核心技术问题。
【发明内容】
[0011]本发明要解决的技术问题是提供一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器，产生高效、且均匀作用于基片的兆声声波，实现基片表面的一致性无损伤的兆声处理效果。
[0012]本发明包括压电陶瓷基体及压电陶瓷基体表面电极，其特殊之处是，所述的压电陶瓷基体表面电极为多电极分区，分区后各电极区间各自独立或各电极互连，各电极之间的间隔距离小于压电陶瓷基体厚度，以使兆声声波能量在非电极区衰减可以忽略，且各分区电极主体面积基本一致，抑制压电陶瓷基体除厚度振动以外的其他耦合振动，使换能器福射出均勾的声场。
[0013]所述的压电陶瓷基体为矩形片或圆片，对于圆片型压电陶瓷基体，电极形式为矩形网状电极分区，抑制径向方向的耦合振动，对于矩形片型压电陶瓷基体，电极形式为与矩形片边界不平行的矩形网状电极分区，抑制径向振动产生驻波型态。
[0014]在压电陶瓷基体上还粘贴有匹配层，压电陶瓷基体表面电极分区为单面电极分区时，粘贴匹配层面为全电极，非粘贴面为电极分区各自独立，以减少分区工艺，压电陶瓷基体表面电极分区为双面电极分区时，粘贴面为电极分区互连，非粘贴面为电极分区各自独立，方便粘贴面电极引线，双面电极分区其分区形式采用双面分区非对应的交错形式，以获得更加均匀的辐射兆声场。
[0015]本发明通过在兆声波换能器压电陶瓷基体表面设置多电极分区的形式，使换能器辐射声波实现辐射振幅及声场的均匀。有效地减少或消除了片型压电陶瓷径向振动对厚度振动的耦合干扰，在换能器与晶片或待处理基片与处理液层之间的流体层内形成均匀声场，由此达到均匀处理基片的效果，避免在兆声波处理基片工艺中产生的晶片表面损伤或表面处理效果不一致的情况，压电陶瓷基体表面的多电极分区，依照传统全电极的压电陶瓷制作工艺，仅需在涂覆电极之时，加以掩模，即可实现电极的分区及互连，且电极分区的兆声压电换能器结构形式简单，具有很强的实用性。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3、图5、图7、图9、图12是本发明其他实施方案的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图6是图5的俯视图；
图8是图7的俯视图； 图10是图9的俯视图；
图11是图10的俯视图；
图13是图12的俯视图；
图14是图13的俯视图；
图15是电极分区前全电极压电振子振幅分布图；
图16是电极分区后压电振子振幅分布图。
【具体实施方式】
[0017]实施例1:
如图1和图2所示，本发明包括压电陶瓷基体I及压电陶瓷基体表面电极2，所述的压电陶瓷基体I为圆片，压电陶瓷基体表面电极2为多电极分区，电极形式为矩形网状电极分区，即由多个矩形电极2分区构成网状电极，矩形电极2之间用间隔3分区，分区后各电极2区间各自独立，各电极2之间的间隔距离小于压电陶瓷基体I厚度，即间隔3的宽度小于压电陶瓷基体I厚度，以使兆声声波能量在非电极区衰减可以忽略，且各电极2主体面积基本一致，SP除了圆形边缘处的电极2外，中心部位的电极2均为矩形，且电极2主体面积一致，抑制压电陶瓷基体I除厚度振动以外的其他耦合振动，使换能器辐射出均匀的声场。
[0018]实施例2:
如图3和图4所示，其结构如实施例1，不同之处在于，分区后各电极2区间各电极互连，即在电极2之间有纵向连接区4，将各电极2在纵向连接起来，在电极2之间还有横向连接区5，将各纵向连接起来的电极2从横向再连接起来，使各电极2区间相互连接在一起，以方便连接电极引线。
[0019]实施例3:
如图5和图6所示，其结构如实施例1，不同之处在于，压电陶瓷基体6为矩形片，压电陶瓷基体表面电极7为多电极分区，电极形式为矩形网状电极分区，矩形电极7之间用间隔8分区，分区后各电极7区间各自独立，电极形式为与矩形片边界不平行的矩形网状电极分区，抑制径向振动产生驻波型态。
[0020]实施例4:
如图7和图8所示，其结构如实施例3，不同之处在于，分区后各电极7区间各电极互连，即在电极7之间有纵向连接区9，将各电极7在纵向连接起来，在电极7之间还有横向连接区1，将各纵向连接起来的电极7从横向再连接起来，使各电极7区间相互连接在一起，以方便连接电极引线。
[0021]实施例5:
如图9、图10和图11所示，在压电陶瓷基体I上还粘贴有匹配层11，所述的压电陶瓷基体表面电极分区为单面电极分区，即粘贴匹配层面为全电极12，非粘贴面为电极分区各自独立，其电极分区形式如实施例1，以减少分区工艺。
[0022]实施例6:
如图12、图13和图14所示，其结构如实施例5，不同之处在于，
压电陶瓷基体表面电极分区为双面电极分区，粘贴面为电极分区互连，其电极分区形式如实施例2，非粘贴面为电极分区各自独立，其电极分区形式如实施例1，方便粘贴面电极引线;双面电极分区其分区形式采用双面分区非对应的交错形式，即粘贴面的电极2与非粘贴面的电极2相互错开，以获得更加均匀的辐射兆声场。
[0023]图15是电极分区前全电极压电振子振幅分布图，图16是电极分区后压电振子振幅分布图，在使用同一兆声波发生器，相同功率驱动下，利用多普勒激光测振仪Polytec-0FV505对压电振子的面振振幅进行测试，测点间间隔为2mm;从振幅测量结果中可以看出，电极分区前全电极压电振子存在振幅不均匀的径向节圆，所谓的径向节圆就是图15中显示的由大小不等的斑块构成的若干个圆；电极分区后，斑块减少，节圆消除，振幅变得更加均匀;根据测量数据统计结果得出，振子振动的振幅均值由15.5351nm升高至17.3991nm，与此同时，表征振幅均匀性的振幅的标准差由15.6156nm降至3.9517nm，这就使得分区后的振子振幅更加均匀;而振源振幅的一致性很大程度上影响了处理晶片过程的声波能量的一致性。
【主权项】
1.一种均匀兆声作用的基片处理压电换能器，它包括压电陶瓷基体及压电陶瓷基体表面电极，其特征在于，所述的压电陶瓷基体表面电极为多电极分区，分区后各电极区间各自独立或各电极互连，各电极之间的间隔距离小于压电陶瓷基体厚度，且各分区电极主体面积基本一致。2.根据权利要求1所述的均匀兆声作用的基片处理压电换能器，其特征在于，所述的压电陶瓷基体为矩形片或圆片，对于圆片型压电陶瓷基体，电极形式为矩形网状电极分区，对于矩形片型压电陶瓷基体，电极形式为与矩形片边界不平行的矩形网状电极分区。3.根据权利要求1所述的均匀兆声作用的基片处理压电换能器，其特征在于，在压电陶瓷基体上还粘贴有匹配层，压电陶瓷基体表面电极分区为单面电极分区时，粘贴匹配层面为全电极，非粘贴面为电极分区各自独立，压电陶瓷基体表面电极分区为双面电极分区时，粘贴面为电极分区互连，非粘贴面为电极分区各自独立，双面电极分区其分区形式采用双面分区非对应的交错形式。
【文档编号】H01L41/047GK106067512SQ201610625212
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年8月3日
【发明人】翟科, 何勍, 任奕
【申请人】辽宁工业大学