KR101573518B1 - 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 초음파 트랜스듀서는 제1기판 및 실리콘 박막 중 적어도 하나의 일면에 복수 개의 지지부를 갖고 복수 개의 지지부 사이에 캐비티(cavity)를 포함하며, 개시된 초음파 트랜스듀서의 제조 방법은 제1기판 및 제2기판 중 적어도 하나의 일면에 복수 개의 지지부와 캐비티를 형성하고, 제2기판에 하나 이상의 연결부에 의해 지지되어 제2기판으로부터 이격되도록 박막을 형성한다.
Description
초음파 트랜스듀서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
초소형 용량형 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)는 실리콘 웨이퍼 위에 미세 가공된 수백 또는 수천 개에 달하는 진동막의 변위차를 이용하여 초음파를 송수신하는 탐촉자이다. cMUT는 일반 반도체 공정에 이용되는 실리콘 웨이퍼 위에 수천 Å의 공기층 내지 진공을 사이에 두고, 두께 수천 Å의 박막을 구비하여 제조된다. 상기 실리콘 웨이퍼와 박막은 공기층을 사이에 두고 커패시터를 형성한다. 이렇게 제조된 커패시터에 교류 전류를 흘리면 박막은 진동하게 되고, 이로부터 초음파가 발생하게 된다. 이 경우 상기 박막에 의해 물이나 오일 등의 접촉 매질 없이도 초음파의 송수신이 가능하다.
이러한 초음파 트랜스듀서는 박막의 두께가 얇아 제조가 어렵고, 박막 재료에 제한을 받는다. 따라서, 초음파 트랜스듀서 개발에 있어서 박막의 재료와 제조 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 실시예는 경제적인 재료를 사용한 박막을 구비한 초음파 트랜스듀서를 제공한다. 또한, 본 발명의 다른 실시예는 용이하고 빠르게 초음파 트랜스듀서를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
제1기판;
표면 결정 방향이 (111)인 단결정 실리콘 박막;
상기 제1기판 및 상기 박막 중 적어도 하나의 일면에 구비된 복수 개의 지지부;
상기 복수 개의 지지부 사이에 구비된 캐비티(cavity); 및
상기 캐비티에 구비된 제1전극;을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면,
제1기판 및 제2기판 중 적어도 하나의 일면에 복수 개의 지지부와 캐비티를 형성하는 단계;
상기 제2기판에 하나 이상의 연결부에 의해 지지되어 상기 제2기판으로부터 이격되도록 박막을 형성하는 단계;
상기 박막을 상기 제1기판에 접합하는 단계; 및
상기 박막을 제외한 나머지 제2기판을 제거하는 단계;를 포함하는 초음파 트 랜스듀서의 제조 방법을 제공한다.
경제적인 실리콘 웨이퍼로 초음파 트랜스듀서의 박막을 제조하여, 초음파 트랜스듀서 제조 비용을 절감할 수 있다. 실리콘 웨이퍼는 그 크기를 키우기 용이하므로 칩당 생산 비용이 낮아지게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 제1기판(10) 및 박막(30) 중 적어도 하나의 일면에 복수 개의 지지부(20)를 구비하고, 복수 개의 지지부(20) 사이에 캐비티(cavity)(15)를 구비한다. 도 1을 참조하면, 하나 이상의 캐비티(15)와 지지부(20)를 갖는 제1기판(10)과, 제1기판(10)의 지지부(20) 위에 구비된 박막(30)을 포함한다. 제1기판(10)으로는 글래스 웨이퍼, 실리콘 웨이퍼 등이 사용될 수 있다. 캐비티(15)의 바닥면(15a)에 제1전극(25)이 구비될 수 있다. 제1기판(10)의 양 가장자리에 전기적 연결단(electrical interconnection part)(27)이 구비될 수 있다. 제1전극(25) 및 전기적 연결단(27)으로는 금속 등의 도체성 물질이 사용될 수 있다. 도체성 물질로는 예를 들어 금, 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. MRI 같이 금속 물질이 제한되는 사용 환경에서 사용하기 위해서 금속을 도체성 물질로 이용하는 대신 고농도로 도핑된 전도성 실리콘과 같은 반도체 물질을 이용할 수 있다. 제1전극(25) 및 전기적 연결단(27)의 두께는 설명을 위하여 과장되게 도시된 것이며, 실제로는 제1기판(10)에 비하여 상당히 얇다. 지지부(20)는 박막(30)을 지탱하여 박막(30)이 제1전극(25)으로부터 일정한 간극을 유지할 수 있도록 한다.
박막(30)으로는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 또한, 박막(30)으로 (111) 단결정 실리콘 웨이퍼 등의 단결정 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 박막(30)으로 (111) 단결정 실리콘 웨이퍼가 사용되면, 웨이퍼 크기를 크게 제조할 수 있어서 칩당 생산비용을 줄일 수 있으며, 에노딕 접합(anodic bonding), 공융 접합(eutectic bonding), 메탈 접합(metal bonding), 글래스 프릿 접합(glass frit bonding) 등 용이한 접합 방법들이 사용될 수 있다. 박막(30)으로 사용되는 실리콘 웨이퍼로 고농도로 불순물이 도핑된 저항이 낮은 실리콘 웨이퍼가 사용되면, 박막(30)이 전극으로 겸용될 수 있다. 이 경우 제1전극(25)과 마주보는 전극이 별도로 구비될 필요가 없다. 박막(30)은 전기적 연결단(27)으로부터 전류를 인가받을 수 있다. 제1전극(25)과 박막(30)이 커패시터를 형성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적인 평면도이다. 도 2를 참조하면, 하나 이상의 캐비티(15)는 예를 들어, 제1기판(10)의 가로 방향(도면의 x 방향)으로 나란하게 배열될 수 있다. 제1기판(10)은 캐비티(15)의 바닥면(15a)에 제1전극(25)을 구비할 수 있다. 제1기판(10)은 양 가장자리에 전기적 연결단(27)을 구비할 수 있다. 제1전극(25)의 배열 방향에 교차하도록 적어도 하나의 박막(30)이 배열될 수 있다. 박막(30) 위에 음향 임피던스 매칭층(acoustic impedance matching layer)(50)이 더 구비될 수 있다. 제1전극(25)과 박막(30)이 교차하는 영역을 커패시터 셀(capacitor cell)(29)로 정의할 수 있다. 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는 이해를 돕기 위하여 커패시터 셀(29)이 3 x 3 어레이 형태로 배열되어 있으나, n x m 어레이(n, m은 1 이상의 자연수) 형태로 배열될 수 있다. 초음파 트랜스듀서의 동작 원리는 다음과 같다. 박막(30)으로 고농도로 불순물이 도핑된 저항이 낮은 실리콘 웨이퍼가 사용되면, 제1기판(10) 위에서 제1전극(25)과 박막(30)이 커패시터를 형성한다. 제1전극(25)과 박막(30) 사이에 직류 전압이 인가되면, 정전기력에 의해 박막(30)의 변위가 유발되어 박막(30)이 제1전극(25)쪽으로 당겨지게 되는데 이 정전기력과 박막(30)의 내부 응력에 의한 항력이 같아지는 위치에서 변위가 정지하게 된다. 이 상태에서 인가된 직류 전압보다 작은 교류 전압을 인가하면 박막(30)이 진동하게 되어 초음파를 발생하게 된다. 반대로 직류 전압이 인가되어 박막(30)의 변위가 유발된 상태에서 외부에서 초음파가 가해지면, 초음파의 음압에 따라 박막(30)의 변위가 바뀐다. 박막(30)의 변위에 따라 각 커패시터 셀(29)의 정전용량이 변하게 되는데 이러한 정전 용량 변화를 검출함으로써 초음파를 수신할 수 있다. 커패시터 셀(29)은 각각 독립적으로 또는 일체로서 초음파를 발생하게 하거나, 초음파를 수신할 수 있다. 한편, 미설명 부호 32는 기판 제거 도움부를 나타내며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 3을 참조하면, 복수 개의 지지부(20)와 복수 개의 지지부(20) 사이의 캐비티(15)는 박막(230)에 구비될 수 있다. 제1기판(10)의 상부에 제1전극(25)이 구비될 수 있다. 제1기판(10)의 양 가장자리에 전기적 연결단(27)이 구비될 수 있다. 도 1에서의 부재 번호와 같은 부재 번호를 갖는 부재는 상기 일 실시예의 부재와 동일한 구조 및 동일한 기능을 갖는 것으로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 초음파 트랜스듀서의 전기적 연결(electrical interconnection) 방법으로써 제1기판(10)에 via(21)를 뚫어 패드(pad)(29)를 낼 수 있다. 제1기판이 글래스 등과 같은 부도체일 경우에, 제1기판에 관통 via(21)를 형성한 후 도체(28)를 채워 넣고 상부 및 하부의 도체 패터닝을 수행한다. Via에 전도성 물질을 채워 넣기 위해 스퍼터링 방법으로 씨드층(seed layer)을 via 내부에 형성시킨 후 도금 기법을 통하여 전도성 물질을 채워 넣을 수 있다. 또한, 실리콘을 증착 및 불순물을 도핑 기법을 이용하여 전도성 있는 via를 형성시킬 수 있다. 제1기판이 실리콘 같은 재질인 경우, 제1기판 각 면에 형성되는 도체 패턴과 제1기판 사이에 절연층이 필요하다. 또한, via에 형성된 전도성 물질과 제1기판 사이에도 절연층이 필요하다. 상기 via(21)는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에도 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 초음파 트랜스듀서는 도 4에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 캐비티(15)와 지지부(20)를 갖는 제1기판(10)과, 제1기판(10)의 지지부(20) 위에 구비된 박막(30)을 포함하며, 박막(30) 상부 또는 하부에 제2전극(40)을 더 포함할 수 있다. 제2전극(40)으로는 금속 등의 도체성 물질이 사용될 수 있다. 도체성 물질로는 예를 들어 금, 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 도 1에 도시된 초음파 트랜스듀서와 비교할 때, 박막(30) 상부에 제2전극(40)이 더 구비되어 있으며, 전기적 연결단(27)이 생략되어 있다. 도 1에서의 부재 번호와 같은 부재 번호를 갖는 부재는 상기 일 실시예의 부재와 동일한 구조 및 동일한 기능을 갖는 것으로 여기서는 그 상세한 설 명을 생략한다. 박막(30) 상부 또는 하부에 제2전극(40)이 더 구비되면 제1전극(25)과 제2전극(40)이 커패시터를 형성한다. 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 동작 원리는 앞서 설명한 바와 같다. 도 3에 도시된 실시예에도 제2전극(40)이 박막(230) 상부에 더 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 초음파 트랜스듀서의 또 다른 변형예를 도시한 것으로, 상기 초음파 트랜스듀서는 하나 이상의 캐비티(15)와 지지부(20)를 갖는 제1기판(10)과, 제1기판(10)의 지지부(20) 위에 구비된 박막(130)을 포함한다. 박막(130)에 복수 개의 홀(hole)(135)이 구비될 수 있다. 박막(130)에 복수 개의 홀(135)을 구비함으로써 제조 공정에서 식각 속도를 높여 초음파 트랜스듀서의 제조 시간을 단축할 수 있다. 박막(130) 상부 또는 하부에 제2전극(40)이 더 구비될 수 있다. 박막(130) 상부 또는 하부에 제2전극(40)이 더 구비된 경우, 제1전극(25)과 제2전극(40)이 커패시터를 형성한다. 도 1에 도시된 초음파 트랜스듀서의 부재 번호와 같은 부재 번호를 갖는 부재는 실질적으로 동일한 구조와 동일한 기능을 갖는다. 본 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 동작 원리는 앞서 설명한 바와 같다. 제2전극(40) 상부 또는 하부에 음향 임피던스 매칭층(acoustic impedance matching layer)(50)이 더 구비될 수 있다. 도 4에 도시된 초음파 트랜스듀서와 비교할 때, 박막(130)은 복수 개의 홀(135)을 구비하고 있으며, 제2전극(40) 상부에 음향 임피던스 매칭층(50)이 더 구비되어 있는 점에서 차이가 있으며, 나머지 구성 요소는 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 전파 매질로의 초음파의 이동을 증진시킨다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 매질로 투 과되는 소리 에너지의 양과 초음파 펄스의 대역폭을 증가시킬 수 있다. 도시되지는 않았지만 도 1에 도시된 초음파 트랜스듀서의 박막(30) 상부 그리고 도 2에 도시된 초음파 트랜스듀서의 제2전극(40) 상부에 음향 임피던스 매칭층(50)이 더 구비될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예의 변형예도 박막(230)에 복수 개의 홀이, 제2전극(40) 상부 또는 하부에 음향 임피던스 매칭층(50)이 더 구비될 수 있다.
또한, 박막에 홀이 있으면 평판일 때에 비해서 홀의 모서리 부분에서 전기장의 프린징 효과(fringing effect)가 더해져 정전 용량이 증가한다. 프린징 효과로 인해, 초음파 송신시에는 같은 전압 인가시 평판에 비해 정전력이 더 커지며, 초음파 수신시에는 같은 전압 인가시 평판에 비해 정전 용량의 변화가 더 커져 민감도가 향상된다.
다음은 초음파 트랜스듀서의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 6a 및 도 6b는 제1기판(10)의 제조 공정을 보여준다. 도 6a를 참조하면. 제1기판(10)에 식각 마스크(12)를 이용하여 하나 이상의 캐비티(15)와 지지부(20)를 형성한다. 도 6b를 참조하면, 제1전극(25)은 금, 알루미늄 등의 금속 물질을 제1기판(10) 위에 증착한 뒤, 포토리소그래피(photolithography)를 통해 메탈 패터닝(metal patterning)하여 제1전극(25)을 형성한다. 또는, 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 제1기판(10)에 메탈을 증착하고 바로 메탈 패터닝을 수행하여 제1전극(25)을 형성할 수 있다. 한편, 제1전극(25)을 형성할 때 제1기판(10)의 가장자리에 전기적 연결단(27)을 함께 형성할 수 있다. 그럼으로써 전압을 인가하기 위한 전기적 연결단(27)을 제1전극(25)과 하나의 공정으로 형성하여 제조 단계를 단축할 수 있다.
도 7a 내지 7f는 제2기판(60)에 박막(30)을 형성하는 단계를 도 2의 AA 단면에서 개략적으로 도시한 것이며, 도 8a 내지 8f는 박막(30)을 형성하는 단계를 도 2의 BB 단면에서 개략적으로 도시한 것이다. 도 7a 및 도 8a를 참조하면, 제2기판(60)의 한 표면에 제1식각 마스크(65)를 증착하고 패터닝한다. 제2기판(60)으로 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 또한, 제2기판(60)으로 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼 등을 사용할 수 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼로 (111) 단결정 실리콘 웨이퍼 등을 사용할 수 있다. 또한, 제2기판(60)으로 고농도로 불순물이 도핑된 저항이 낮은 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 제1식각 마스크(65)는 SiO2 등으로 만들 수 있다. 그 다음 도 7b 및 도 8b와 같이 제2기판(60)을 제1건식 식각하여 적어도 하나의 박막용 돌출부(62)를 형성한다. 이 단계에서 만들고자 하는 박막의 두께를 정의할 수 있으므로, 원하는 박막의 두께만큼 건식 식각을 할 수 있다. 다음 도 7c 및 도 8c에서는 제2식각 마스크(67)를 제2기판(60)의 한 표면 전체에 증착하고, 제2식각 마스크(67)를 식각함으로써 박막용 돌출부(62)의 벽면에 제2식각 마스크(67)가 남도록 한다. 즉, 박막용 돌출부(62)의 벽면에 표면 보호막(passivation)을 형성한다. 다음 도 7d 및 도 8d를 참조하면, 제2기판(60)을 제2건식 식각하여 박막용 돌출부(62)의 높이가 더 높게 형성되도록 한다. 도 7e 및 도 8e는 제2기판(60)을 습식 식각하는 단계이다. 이때, 제2기판(60)의 두께 방향으로는 식각되지 않고, 폭 방향으로 식각된다. 도 7e 및 도 7f를 참조하면, 습식 식각을 통해 박막용 돌출부(62)가 제2기판(60)으로부터 이격 된 박막(30)으로 전환된다. 여기서, 제2기판(60)의 가장자리에 박막(30)을 지지하는 연결부(35)를 형성한다. 도 7f 및 도 8f에 도시된 바와 같이 제2식각 마스크(67)를 제거함으로써 제2기판(60)에 박막(30)을 형성한다. 도 7f를 참조하면, 박막(30)의 양단은 연결부(35)에 의해서 지지되고 있으며, 제2기판(60)으로부터 이격되어 있다. 즉, 박막(30)은 연결부(35)를 제외하고 제2기판(60)으로부터 이격되어 부양되어 있다.
도 9a는 상기에서 만들어진 제1기판(10)에 제2기판(60)을 접합하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 제1기판(10)의 지지부(20)에 제2기판(60)의 박막(30)이 접합된다. 접합 방법으로 예를 들어, 에노딕 접합, 공융 접합, 메탈 접합, 글래스 프릿 접합 등을 사용할 수 있다. 에노딕 접합의 경우 접합하는 두 개의 기판은 180-500℃로 가열되고 두 기판을 가로질러 0.2-1 kV의 직류전압을 건다. 예를 들어, 두 기판으로는 실리콘과 Corning 7740 Pyrex 유리가 사용될 수 있으며, 사용되는 재질은 서로 유사한 열팽창 계수를 가진다. 이들 접합 방법은 SOI 기판에 사용되는 다이렉트 퓨전 접합(direct fusion bonding)에 비해 난이도가 낮고 그 수행이 용이하다.
도 9b는 제1기판(10)에 접합된 박막(30)을 제외한 나머지 제2기판(60)을 제거하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 박막(30)을 제외한 나머지 제2기판(60)을 제1기판(10)으로부터 물리적 내지 기계적인 힘을 이용하여 떼어낼 수 있다. 박막(30)은 제2기판(60)의 연결부(35)와 미약하게 연결되어 있고, 제1기판(10)의 지지부(20)와 접합이 형성되어 있으므로 물리적 내지 기 계적으로 제2기판(60)을 잡아당기면 박막(30)과 제2기판(60)의 연결부위인 연결부(35)가 파손되면서 제2기판(60)이 분리된다. 제2기판(60)의 분리시 연결부(35)의 파손으로 분리된 부분이 매끄럽지 않을 수 있다. 상기 분리 부분이 평탄하지 않더라도 제2기판(60)의 연결부(35)를 초음파 트랜스듀서에서 주요하게 사용되는 부분과 멀리 떨어진 곳에 위치하도록 하여, 초음파 트랜스듀서의 박막(30)의 기능에 영향을 주지 않도록 할 수 있다. 박막(30)은 도 2에 도시된 바와 같이, 박막(30)을 제외한 나머지 제2기판(60)을 제1기판(10)으로부터 물리적이거나 기계적 힘을 이용하여 제거할 때, 제1기판(10)과의 접합 면적을 최소화하여 제거를 용이하게 하도록 기판 제거 도움부(32)를 형성할 수 있다(도 2 및 도 7f 참조). 기판 제거 도움부(32)는 식각 마스크 등을 이용하여 형성될 수 있다. 박막(30) 상부에 음향 임피던스 매칭층(50)(도 4 참조)을 더 형성할 수 있다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 전파 매질로의 초음파의 이동을 증진시킨다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 매질로 투과되는 소리 에너지의 양과 초음파 펄스의 대역폭을 증가시킨다.
도 10는 제1전극(25)에 대향하여 커패시터(capacitor)를 형성하도록 박막(30) 상부에 제2전극(40)을 더 형성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 박막(30) 상부에 제2전극(40)을 더 형성하는 경우, 상기 도 6b에서 제1기판(10)의 양 가장자리에 전기적 연결단(27)을 형성하는 단계는 생략할 수 있다. 제2전극(40)은 박막(30) 상부에 도체성 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 상기 도체성 물질로는 예를 들어 금, 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니 다. 제2전극(40) 상부에 음향 임피던스 매칭층(50)을 더 형성할 수 있다.
도 11 내지 13은 박막(130)에 복수 개의 홀(135)을 형성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 도 11은 복수 개의 홀(135)이 형성된 박막(130)을 가지는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 평면도이다. 홀(135)의 크기나 개수, 모양은 이해를 돕기 위하여 단순화하고 과장하여 도시하였으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 도 11을 참조하면, 하나 이상의 캐비티(15)를 제1기판(10)에 형성할 수 있으며, 캐비티(15) 배열 방향에 교차되도록 적어도 하나의 박막(130)을 형성할 수 있다. 박막(130) 상부에 제2전극(40)을 더 형성할 수 있다. 복수 개의 홀을 구비한 박막(130)은 박막(130)을 제외한 나머지 제2기판(60)을 제1기판(10)으로부터 물리적이거나 기계적 힘을 이용하여 제거할 때, 제1기판(10)과의 접합 면적을 최소화하여 제거를 용이하게 하도록 기판 제거 도움부(32)를 구비할 수 있다. 기판 제거 도움부(32)는 식각 마스크 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 12a 내지 12f 및 도 13a 내지 13f는 홀이 구비되어 있지 않은 박막(30)을 형성하는 단계인 상기 도 7a 내지 7f 및 도 8a 내지 8f에 각각 대응된다. 다만, 홀이 구비되어 있지 않은 박막(30)을 형성할 때 사용된 제1식각 마스크(65)에 홀을 위한 패턴(169)이 더 구비된다. 도 12a 및 도 13a를 참조하면, 제2기판(60)의 한 표면에 제3식각 마스크(165)를 증착하고 패터닝한다. 제3식각 마스크(165)에 박막과 홀을 위한 패턴(169)을 형성한다. 제2기판(60)으로 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 또한, 제2기판(60)으로 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼 등을 사용할 수 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼로는 (111) 단결정 실리콘 웨이 퍼 등을 사용할 수 있다. 제3식각 마스크(165)는 SiO2 등으로 만들 수 있다. 그 다음 도 12b 및 도 13b와 같이 제2기판(60)을 제1건식 식각하여 적어도 하나의 박막용 돌출부(162) 및 홀(135)을 형성한다. 이 단계에서 만들고자 하는 박막의 두께를 정의할 수 있으므로, 원하는 박막의 두께만큼 건식 식각을 할 수 있다. 다음 도 12c 및 도 13c에서는 제3식각 마스크(165)를 제거하고, 제4식각 마스크(167)를 제2기판(60)의 한 표면 전체에 증착하고, 제4식각 마스크(167)를 식각함으로써 박막용 돌출부(162)의 벽면에 제4식각 마스크(167)가 남도록 한다. 즉, 박막용 돌출부(162)의 벽면에 표면 보호막(passivation)을 형성한다. 다음 도 12d 및 도 13d를 참조하면, 다시 제2기판(60)을 제2건식 식각하여 제2기판(60)의 박막용 돌출부(162)의 높이가 더 높게 형성되도록 한다. 도 12e 및 도 13e는 제2기판(60)을 습식 식각하는 단계이다. 이때, KOH(Potassiuum hydroxide), TMAH(TetraMethylAmmonium Hydroxide) 등의 알카리성 수용액에서 단결정 실리콘의 비등방성 식각 특성에 의하여 제2기판(60)의 표면이 (111) 결정 방향을 가질 경우 제2기판(60)의 두께 방향으로는 실리콘이 식각되지 않고, 측 방향으로 식각된다. 도 12e 및 도 12f를 참조하면, 습식 식각을 통해 박막용 돌출부(162)가 제2기판(60)으로부터 이격되어 박막(130)으로 전환된다. 여기서, 제2기판(60)의 가장자리에 박막(130)을 지지하는 연결부(35)를 형성한다. 도 13e에서 볼 수 있듯이 박막(130)에 복수 개의 홀(135)을 형성함으로써 식각 용액이 반응할 수 있는 단위 면적이 증가하여 박막 제조 시간이 단축될 수 있다. 도 12f 및 도 13f에 도시된 바와 같이 제4식각 마스크(167)를 제거함으로써 제2기판(60)에 복수 개의 홀(135)이 구비된 박막(130)을 형성한다. 도 12f를 참조하면, 박막(130)의 양단은 연결부(35)에 의해서 지지되고 있으며, 제2기판(60)으로부터 이격되어 있다. 즉, 박막(130)은 연결부(35)를 제외하고 제2기판(60)으로부터 이격되어 부양되어 있다. 도 5는 이렇게 제조된 복수 개의 홀(135)을 구비한 초음파 트랜스듀서를 개시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 제2전극(40) 상부에 음향 임피던스 매칭층(50)을 더 형성할 수 있다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 전파 매질로의 초음파의 이동을 증진시킨다. 음향 임피던스 매칭층(50)은 매질로 투과되는 소리 에너지의 양과 초음파 펄스의 대역폭을 증가시킨다.
초음파 트랜스듀서 제조 방법의 다른 실시예에 따르면, 캐비티(cavity)(15)를 제1기판(10)에 형성하지 않고 박막(230)이 형성될 제2기판(260)에 형성할 수 있다. 제2기판(260)에 캐비티를 형성하기 위해서는 열 산화 방법(thermal oxidation) 또는 식각 방법(etching) 등을 사용할 수 있다.
도 14a 내지 14c는 열 산화 방법을 수행하여 제2기판(260)에 캐비티(15)를 형성하는 방법을 도시하고 있다, 도 14a를 참조하면, 제2기판(260)을 마스크(264)로 패터닝한다. 마스크(264)는 질화물(nitride)일 수 있다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 패터닝된 제2기판(260)에 열 산화 방법을 수행한다. 제2기판(260)의 표면 중 마스크(264)에 의해 패터닝되지 않아 드러난 곳을 산화(oxidation)시킨다. 질화물로 패터닝되어 가려진 곳은 산화되지 않는다. 제2기판(260) 중 마스크(264) 패턴 가장 자리 부분은 일부 산화되어 단면 모양이 새의 부리(bird's beak) 모양처럼 형 성된다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 산화물(oxide)과 질화물을 제거하면 제2기판(260)에 캐비티(15)가 형성된다. 초음파 트랜스듀서의 캐비티 깊이(depth)는 수백 나노미터 수준이다. 열 산화 방법을 이용하면 균일도가 좋은 캐비티 깊이를 형성할 수 있다.
도 15a 내지 15c는 식각 방법을 수행하여 제2기판(260)에 캐비티(15)를 형성하는 방법을 도시하고 있다. 도 15a를 참조하면, 제2기판(260)을 식각 마스크(268)로 패터닝한다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 패터닝된 제2기판(260)에 건식 식각(dry etching) 또는 습식 식각(wet etching) 방법을 수행한다. 도 15c에 도시된 바와 같이, 식각 마스크(268)를 제거하면 제2기판(260)에 캐비티(15)가 형성된다.
제2기판(260)에 캐비티(15)를 형성한 뒤, 제2기판(260)에 박막(230)을 형성한다. 캐비티(15)가 형성된 제2기판(260)에 박막(230)을 형성하는 단계는 상기 도 6a 내지 6f 및 도 7a 내지 7f를 참조하여 설명된 제2기판(60)에 박막(30)을 형성하는 단계와 같으므로 여기서는 그 자세한 설명을 생략한다.
제2기판(260)에 박막(230)을 형성한 다음에는 도 16a에 도시된 바와 같이, 제1기판(10) 상부에 제1전극(25)을 형성한다. 제1전극(25)은 금, 알루미늄 등의 금속 물질을 제1기판(10) 위에 증착한 뒤, 포토리소그래피를 통해 메탈 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는, 쉐도우 마스크를 이용하여 제1기판(10)에 메탈을 증착하고 바로 메탈 패터닝을 수행하여 제1전극(25)을 형성할 수 있다. 한편, 제1전극(25)을 형성할 때 제1기판(10)의 가장자리에 전기적 연결단(27)을 함께 형성할 수 있다. 그럼으로써 전압을 인가하기 위한 전기적 연결단(27)을 제1전극(25)과 하나의 공정으로 형성하여 제조 단계를 단축할 수 있다. 도 16b를 참조하면, 상기에서 캐비티(15) 및 박막(130)이 형성된 제2기판(260)을 제1기판(10)에 접합한다. 제2기판(260)의 지지부(20)를 제1기판(10)에 접합한다. 접합 방법으로 예를 들어, 에노딕 접합, 공융 접합, 메탈 접합, 글래스 프릿 접합 등을 사용할 수 있다. 도 16c는 제1기판(10)에 접합된 지지부(20) 및 박막(230)을 제외한 나머지 제2기판(260)을 제거하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 지지부(20) 및 박막(230)을 제외한 나머지 제2기판(260)을 제1기판(10)으로부터 물리적 내지 기계적인 힘을 이용하여 떼어낼 수 있다. 박막(230)은 제2기판(260)의 연결부(235)와 미약하게 연결되어 있고, 제2기판(260)의 지지부(20)는 제1기판(10)과 접합이 형성되어 있으므로 물리적 내지 기계적으로 제2기판(260)을 잡아당기면 박막(230)과 제2기판(260)의 연결부위인 연결부(235)가 파손되면서 제2기판(260)이 분리된다. 제2기판(260)의 분리시 연결부(235)의 파손으로 분리된 부분이 매끄럽지 않을 수 있다. 분리 부분이 평탄하지 않더라도 제2기판(260)의 연결부(235)를 초음파 트랜스듀서에서 주요하게 사용되는 부분과 멀리 떨어진 곳에 위치하도록 하여, 초음파 트랜스듀서의 박막의 기능에 영향을 주지 않도록 할 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예들이 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 변형예에 따른 초음파 트랜스듀서의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a는 제1기판에 캐비티와 지지부를 형성하는 단계를 도시한 것이며, 도 6b는 제1기판의 캐비티에 제1전극을, 제1기판의 양 가장자리에 전기적 연결단을 형성하는 단계를 도시한 것이다.
도 7a 내지 6f는 제2기판에 박막을 형성하는 단계를 제2기판의 AA 단면에서 개략적으로 도시한 것이다.
도 8a 내지 7f는 제2기판에 박막을 형성하는 단계를 제2기판의 BB 단면에서 개략적으로 도시한 것이다.
도 9a는 제1기판에 제2기판을 접합하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9b는 제1기판에 접합된 박막을 제외한 나머지 제2기판을 제거하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10는 제1기판에 대향하여 커패시터를 형성하도록 박막 위에 제2전극을 형성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 복수 개의 홀이 형성된 박막을 가지는 초음파 트랜스듀서의 개략적인 평면도이다.
도 12a 내지 11f는 제2기판에 복수 개의 홀을 구비한 박막을 형성하는 단계를 제2기판의 AA 단면에서 개략적으로 도시한 것이다.
도 13a 내지 12f는 제2기판에 복수 개의 홀을 구비한 박막을 형성하는 단계를 제2기판의 BB 단면에서 개략적으로 도시한 것이다.
도 14a 내지 14b는 열 산화 방법을 사용하여 제2기판에 하나 이상의 캐비티를 형성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 15a 내지 15c는 식박 방법을 사용하여 제2기판에 하나 이상의 캐비티를 형성하는 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 16a 내지 16c는 캐비티를 구비한 제2기판을 제1기판에 접합하고, 박막을 제외한 제2기판을 제거하는 단계를 도시한 것이다.
<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>
10: 제1기판 15: 캐비티
20: 지지부 25: 제1전극
27: 전기적 연결단 30, 130, 230: 박막
40: 제2전극 50: 음향 임피던스 매칭층
60, 260: 제2기판 135: 홀
Claims (13)
- 제1기판;상기 제1기판 위에 구비되며, 표면 결정 방향이 (111)인 단결정 실리콘 박막;상기 제1기판 및 상기 박막 사이에 구비된 복수 개의 지지부;상기 복수 개의 지지부 사이에 구비된 캐비티(cavity);상기 캐비티의 바닥면에 구비된 제1전극; 및상기 박막의 일면에 구비된 음향 임피던스 매칭층을 포함하는 초음파 트랜스듀서.
- 삭제
- 제1기판;상기 제1기판 위에 구비되며, 표면에 복수 개의 홀(hole)을 포함하는 박막;상기 박막 일면에 형성된 음향 임피던스 매칭층;상기 제1기판 및 상기 박막 사이에 구비된 복수 개의 지지부;상기 복수 개의 지지부 사이에 구비된 캐비티(cavity); 및상기 캐비티의 바닥면에 구비된 제1전극;을 포함하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 3 항에 있어서,상기 박막은 단결정 실리콘인 초음파 트랜스듀서.
- 제 3 항에 있어서,상기 박막은 표면 결정 방향이 (111) 방향인 단결정 실리콘인 초음파 트랜스듀서.
- 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막은 그 일면에 제2전극을 더 포함하는 초음파 트랜스듀서.
- 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 박막은 고농도로 불순물이 도핑된 저항이 낮은 실리콘 웨이퍼이고, 상기 제1기판의 양 가장자리에 전기적 연결단을 더 포함하는 초음파 트랜스듀서.
- 제1기판의 일면에 복수 개의 지지부와 캐비티를 형성하는 단계;제2기판에 하나 이상의 연결부에 의해 지지되어 상기 제2기판으로부터 이격되도록 박막을 형성하는 단계;상기 박막을 상기 제1기판에 접합하는 단계; 및상기 박막을 제외한 나머지 제2기판을 제거하는 단계;를 포함하며,상기 박막을 형성하는 단계는,상기 제2기판의 한 표면에 제1식각 마스크를 증착하고 패터닝하는 단계;상기 제2기판을 상기 제1식각 마스크의 패턴에 따라 제1건식 식각하여 박막용 돌출부를 형성하는 단계;상기 제2기판에 제2식각 마스크를 증착하는 단계;상기 제2식각 마스크를 식각하여 상기 박막용 돌출부의 벽면에 제2식각 마스크를 형성하는 단계;상기 제2기판을 제2건식 식각하는 단계;상기 제2기판을 습식 식각하여 상기 제2기판의 한 표면에 박막을 형성하는 단계; 및상기 제1 및 제2식각 마스크를 제거하는 단계;를 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 캐비티에 제1전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 박막의 일면에 제2전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 박막을 제외한 나머지 제2기판을 제거하는 단계에서 상기 제2기판을 물리적인 힘을 이용하여 제거하는 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 제2기판은 고농도로 도핑된 저저항의 웨이퍼를 사용하고, 상기 제1기판의 양 가장자리에 전기적 연결단을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서의 제조 방법.
- 삭제
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| KR (1) | KR101573518B1 (ko) |
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| KR101931358B1 (ko) * | 2012-06-25 | 2018-12-31 | 삼성전자주식회사 | 지그 및 그 제작방법과 지그를 이용한 초음파 프로브용 칩의 플립 칩 본딩방법 |
| KR102536838B1 (ko) * | 2021-09-07 | 2023-05-26 | 한국과학기술원 | 정전용량형 미세가공 초음파 변환자 소자 및 그 제조 방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200168498Y1 (ko) | 1997-10-27 | 2000-02-01 | 윤종용 | 박막형 초음파발생트랜스듀서 |
| JP2006186999A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | General Electric Co <Ge> | エピタキシャル・シリコン膜によって製作した容量性マイクロマシン加工超音波トランスジューサ |
| JP2007251505A (ja) | 2006-03-15 | 2007-09-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 超音波探触子、アレイ探触子および超音波探触子の製造方法 |
| WO2009004558A2 (en) | 2007-07-03 | 2009-01-08 | Koninklijke Philips Electronics N. V. | Thin film detector for presence detection |
-
2009
- 2009-09-16 KR KR1020090087638A patent/KR101573518B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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| KR200168498Y1 (ko) | 1997-10-27 | 2000-02-01 | 윤종용 | 박막형 초음파발생트랜스듀서 |
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| WO2009004558A2 (en) | 2007-07-03 | 2009-01-08 | Koninklijke Philips Electronics N. V. | Thin film detector for presence detection |
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| KR20110029809A (ko) | 2011-03-23 |
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