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KR20180030777A - 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 그 제조방법 - Google Patents

미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20180030777A
KR20180030777A KR1020177034382A KR20177034382A KR20180030777A KR 20180030777 A KR20180030777 A KR 20180030777A KR 1020177034382 A KR1020177034382 A KR 1020177034382A KR 20177034382 A KR20177034382 A KR 20177034382A KR 20180030777 A KR20180030777 A KR 20180030777A
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KR
South Korea
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anchor
groove
membrane
forming
grooves
Prior art date
Application number
KR1020177034382A
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English (en)
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김영일
조경일
김배형
송종근
이은성
최민석
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서는, 앵커(anchor); 및 상기 앵커와 결합되는 멤브레인(membrane)을 포함하고, 상기 앵커는, 적어도 하나의 앵커홈을 포함할 수 있다.
이와 같은 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 프로브의 제조방법에 의하면, cMUT과 렌즈(lens)의 접촉면적을 증대시킬수 있다. 따라서, cMUT의 멤브레인(membrane)을 보호하면서cMUT과 렌즈(Lens)의 계면력을 향상시킬 수 있다. 또한, 렌즈의 박리현상을 방지하고, 트랜스듀서의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 그 제조방법
미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서를 이용한 프로브 및 프로브의 제조방법 관한 것이다.
초음파 영상 장치(Ultrasound imaging apparatus)는 대상체 표면에서 대상체로 초음파를 조사하고 대상체로부터 반사된 초음파 즉, 에코 초음파를 검출하여, 연부 조직의 단층이나 혈류와 같은 대상체 내부의 피검 부위에 대한 영상을 생성함으로 필요한 피검 부위에 대한 정보를 제공한다.
초음파 영상 장치는 X선 장치, CT스캐너(Computerized Tomography Scanner), MRI(Magnetic Resonance Image), 핵의학 진단 장치 등의 다른 영상진단 장치와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어 산부인과 진단을 비롯하여, 심장, 복부, 비뇨기과 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
초음파 영상 장치는 대상체의 초음파 영상을 얻기 위하여 초음파 발생 수단인 프로브(Probe)를 이용한다. 프로브는 적어도 하나의 트랜스듀서(Transducer)를 포함하여 트랜스듀서별로 초음파를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 에코 초음파를 수신을 수행한다. 초음파 영상 장치는 이와 같은 에코 초음파에 기초하여 기초하여 대상체의 초음파 영상을 획득하게 된다.
한편, 고효율의 초음파 송수신에 대한 사용자의 니즈가 증대되면서, 최근에는 새로운 개념의 비접촉 초음파 트랜스듀서인 정전 용량형 미세 가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; cMUT, 이하 cMUT이라 함)가 개발되고 있는 실정이다.
미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서를 이용한 프로브 및 프로브의 제조방법을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 프로브의 제조방법이 제공된다.
미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서는, 앵커(anchor); 및 상기 앵커와 결합되는 멤브레인(membrane)을 포함하고, 상기 앵커는, 적어도 하나의 앵커홈을 포함할 수 있다.
상기 멤브레인은, 적어도 하나의 멤브레인홈을 포함할 수 있다.
상기 앵커는, Si, SiO2, SiNx 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인은, Al 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면은, 다각형 또는 원형의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수 있다.
상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은, 서로 다른 형태의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수도 있다.
상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은, 서로 다른 크기의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수도 있다.
상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은, 휘어지도록 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수 있다.
상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은, 경사지도록 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수도 있다.
상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈은, 서로 다른 깊이를 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서인 것도 가능하다.
상기 앵커홈 또는 상기 멤브레인홈은, 식각, 증착 및 본딩 중 적어도 하나를 이용하여 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서일 수 있다.
프로브는, 앵커(anchor) 및 상기 앵커와 결합되는 멤브레인(membrane)을 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; cMUT); 및 상기 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서와 결합되는 렌즈; 를 포함하고, 상기 앵커는, 적어도 하나의 앵커홈을 포함할 수 있다.
상기 멤브레인은, 적어도 하나의 멤브레인홈을 포함하는 프로브일 수 있다.
상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면은, 다각형 또는 원형의 패턴을 갖는 프로브일 수 있다.
상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은, 서로 다른 형태의 패턴을 갖는 프로브일 수도 있다.
상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은, 서로 다른 크기의 패턴을 갖는 프로브일 수도 있다.
상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은, 휘어지도록 형성되는 프로브일 수 있다.
상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은, 경사지도록 형성되는 프로브일 수도 있다.
상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈은, 서로 다른 깊이를 갖는 프로브인 것도 가능하다.
프로브의 제조방법은, 앵커(anchor)에 적어도 하나의 앵커홈을 형성하는 단계; 및 상기 앵커 및 상기 앵커와 결합된 멤브레인(membrane)에 렌즈를 도포하는 단계; 를 포함할 수 있다.
프로브의 제조방법은, 상기 멤브레인에 적어도 하나의 멤브레인홈을 형성하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면이 다각형 또는 원형의 패턴을 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면이 서로 다른 형태의 패턴을 갖는 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수도 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면이 서로 다른 크기의 패턴을 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수도 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면이 휘어지도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면이 경사지도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수도 있다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈이 서로 다른 깊이를 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법인 것도 가능하다.
상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는, 식각, 증착 및 본딩 중 적어도 하나를 이용하여 상기 앵커홈 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법일 수도 있다.
이와 같은 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 프로브 및 프로브의 제조방법에 의하면, cMUT과 렌즈(lens)의 접촉면적을 증대시킬수 있다. 따라서, cMUT의 멤브레인(membrane)을 보호하면서cMUT과 렌즈(Lens)의 계면력을 향상시킬 수 있다. 또한, 렌즈의 박리현상을 방지하고, 트랜스듀서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2a는 트랜스듀서 모듈이 구비된 프로브의 단면을 예시한 도면이다.
도 2b는 트랜스듀서 모듈의 분해 사시도를 예시한 도면이다.
도 2c는 집적회로에 장착된 cMUT을 예시한 단면도이다.
도 3은 cMUT(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 예시된 엘리먼트에 대한 평면도이다.
도 5a는 셀의 일 실시예에 따른 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5b는 셀의 다른 실시예에 따른 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6a는 셀의 일 실시예에 따른 평면도이다.
도 6b는 셀의 다른 실시예에 따른 평면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 식각하는 과정의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 식각액에 의해 식각된 앵커의 일 예를 나타내는 단도면이다.
도 9는 식각액에 의해 식각된 앵커의 다른 예를 나타내는 단도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 DRIE(Deep Reactive-Ion Etching)에 의한 식각 과정을 예시한 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 증착막이 형성된 앵커의 예들을 나타내는 단면도이다.
도 12는 프로브의 제조방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 13은 프로브의 제조방법의 다른 실시예에 따른 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 트랜스듀서 모듈 및 트랜스듀서 모듈의 제조방법를 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 초음파 영상 장치는 프로브(10), 본체(30), 입력부(40), 디스플레이부(20)을 포함할 수 있다.
프로브(10)에는 케이블의 일단이 연결되며, 케이블의 타단에는 수 커넥터(male connector; 미도시)가 연결될 수 있다. 케이블의 타단에 연결된 수 커넥터는 본체(300)의 암 커넥터(female connector; 미도시)와 물리적으로 결합할 수 있다.
프로브(10)는 적어도 하나의 트랜스듀서(transducer; 100)를 포함하고, 이를이용하여 초음파 신호를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 반사된 에코(echo) 초음파를 수신할 수 있다. 트랜스듀서(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 열을 형성하고, 렌즈(lens; 200)와 함께 트랜스듀서 모듈(도 2a의 500)을 구성하여 프로브(10)의 말단에 마련될 수 있다. 여기서 대상체는 인간이나 동물의 생체, 또는 혈관, 뼈, 근육 등과 같은 생체 내 조직일 수도 있으나 이에 한정되지는 않는다. 트랜스듀서(100), 렌즈(200) 및 트랜스듀서 모듈(500)에 대한 더욱 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
본체(30)는 초음파 영상 장치의 주요 구성요소 예를 들어, 빔 포밍부, 영상처리부 또는 제어부 등을 수납할 수 있다. 빔 포밍부는 적어도 하나의 트랜스듀서가 송신하는 초음파의 시간차 또는 트랜스듀서에 수신되는 에코 초음파의 시간차를 극복하기 위하여 빔 포밍(beam forming)을 수행할 수 있다. 영상 처리부는 빔 포밍된 신호에 기초하여 초음파 영상을 획득하고, 영상 변환, 영상 복원 또는 영상 압축 등을 수행할 수 있다.
그리고 제어부는 프로브(10), 빔 포밍부 또는 영상처리부 등 초음파 영상 장치의 각 구성요소를 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 초음파 진단 명령을 입력하는 경우, 제어부는 초음파 송신을 위한 제어 신호를 생성하여 프로브(10) 또는 빔 포밈부로 전송할 수 있는 것이다.
본체(30)에는 하나 이상의 암 커넥터(female connector; 미도시)가 구비될 수 있으며, 케이블과 연결된 수 커넥터(male connector; 미도시)와 물리적으로 결합되어 본체(30)와 프로브(10)가 상호간에 발생한 신호를 서로 송수신 할 수 있도록 한다. 예를 들어, 제어부에서 생성된 초음파 송신을 위한 제어 신호는 본체(30)의 암 커넥터와 연결된 수 커넥터 및 케이블을 거쳐 프로브(100)로 전송될 수 있다.
또한, 본체(30)의 하부에는 초음파 영상 장치를 특정 장소에 고정시키거나, 특정 방향으로 이동시킬 수 있는 복수의 캐스터(caster)가 장착될 수도 있다.
입력부(40)는 사용자로부터 초음파 영상 장치의 동작과 관련된 명령을 입력 받을 수 있는 부분이다. 예를 들어, 사용자는 입력부(40)를 통해 초음파 진단 시작, 진단 부위 선택, 진단 종류 선택, 출력되는 영상에 대한 디스플레이 모드의 선택 등을 수행하기 위한 명령을 입력할 수 있다. 이 때, 디스플레이 모드는 A-모드(Amplitude mode), B-모드(Brightness mode), D-모드(Doppler mode), E-모드(Elastography mode), 및 M-모드(Motion mode) 중 적어도 하나가 될 수 있다. 입력부(40)에서 입력 받은 명령은 유선 통신이나 무선 통신을 통해 본체(30)로 전송될 수 있다.
입력부(40)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치 스크린, 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
입력부(40)는 도 1에서와 같이 본체(30)의 상부에 위치할 수도 있으나, 입력부(40)가 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal)등으로 구현되는 경우에는 본체(30)의 하부에 마련되는 것도 가능하다.
그리고 입력부(40)가 터치 스크린 등과 같이 GUI(Graphical User interface), 즉 소프트웨어적으로 구현되는 경우에는 후술할 디스플레이부(20)를 통해 디스플레이될 수 있다.
입력부(40)의 주변에는 프로브(10)를 거치하기 위한 프로브 홀더가 하나 이상 구비될 수 있다. 따라서 사용자는 초음파 영상 장치를 사용하지 않을 때, 프로브 홀더에 프로브(10)를 거치하여 보관할 수 있다.
디스플레이부(20)는 초음파 진단 과정에서 얻어진 영상을 디스플레이 한다. 디스플레이부(20)는 사용자가 선택한 모드에 대응하여 영상을 디스플레이하고, 만약, 선택된 모드가 없다면 사용자가 사전에 설정해 놓은 기본 모드 예를 들어, B-모드 영상으로 디스플레이할 수 있다.
디스플레이부(20)는 도 1에서와 같이 본체(30)와 결합되어 장착될 수 있으나, 본체(30)와 분리 가능하도록 구현될 수도 있다. 그리고 도 1에 도시하지는 않았으나, 초음파 영상 장치의 동작과 관련된 어플리케이션(예를 들면, 초음파 진단에 필요한 메뉴나 안내 사항)을 디스플레이하는 별도의 서브 디스플레이부를 포함할 수 있다.
디스플레이부(20)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 패널(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
다음으로 트랜스듀서(100), 렌즈(200) 및 트랜스듀서 모듈에 대하여 더욱 구체적으로 설명하기로 하며, 이를 위해 도 2a 내지 도 11c를 참조하기로 한다.
도 2a는 트랜스듀서 모듈이 구비된 프로브의 단면을 예시한 도면이고, 도 2b는 트랜스듀서 모듈의 분해 사시도를 예시한 도면이다.
프로브(10)의 말단에는 트랜스듀서를 포함하는 트랜스듀서 모듈(500)이 마련되며, 이 때, 트랜스듀서는 cMUT로 구현된다. 다시 말하면, 트랜스듀서 모듈(500)은 초음파가 진행하는 방향 즉, x축의 증가 방향으로 인쇄회로기판(printed circuit board; 340), 프레임(frame; 320), 집적회로(300), cMUT(100) 및 렌즈(200)가 순차적으로 적층된 구조를 형성할 수 있다. 이하에서는 초음파가 진행하는 방향을 전방 또는 전면(前面)이라 칭하고, 초음파가 진행하는 방향의 반대 방향을 후방 또는 후면(後面)이라 칭하기로 한다.
트랜스듀서는 전원으로부터 인가되는 전기적 신호를 역학적 진동 에너지로 변환하여 초음파를 발생시키며, 대상체로부터 도달되는 진동을 다시 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 구체적으로, 프로브(10)가 외부 전원 장치나 또는 내부 축전 장치 예를 들어, 배터리 등과 같은 전원으로부터 전류을 공급받으면, 인가되는 전류에 따라 각각의 트랜스듀서가 진동하면서 초음파를 발생시키고, 외부의 대상체에 조사한다. 각 트랜스듀서는 대상체로부터 반사되어 돌아오는 에코 초음파를 다시 수신하고, 수신된 에코 초음파에 따라 진동하면서 진동 주파수에 대응하는 주파수의 전류를 생성한다.
트랜스듀서가 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 cMUT(100)인 경우에는, 미세 가공된 수백 또는 수천 개로 이루어진 박막의 진동을 이용하여 초음파를 송수신한다. cMUT(100)은 초소형 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 기술을 기반으로 제작되는 것으로, 웨이퍼(wafer) 등과 같은 앵커(도 5a의 131) 및 앵커(131)와 에어 갭(air gap; 도 5a의 133)을 형성하는 멤브레인(membrane; 도 5a의 132A)을 포함하며, 이 때, 에어 갭 및 멤브레인은 수천 Å 두께로 제작될 수 있다. 앵커(131)와 멤브레인(132A)는 에어 갭을 사이에 두고 캐패시터를 형성하며, 이렇게 형성된 캐패시터에 전류를 흘리면 멤브레인(132A)이 진동하게 되고 이로 인해 초음파가 발생한다. 반대로 에코 초음파에 의해 멤브레인(132A)이 진동하게 되면 캐패시터의 정전 용량이 변하게 되고, 이러한 정전 용량의 변화를 검출함으로써 초음파를 수신한다. cMUT(100)의 구조에 대한 더욱 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
집적회로(300)는 cMUT(100)에 전기적 신호를 인가하여 cMUT(100)을 구동시켜 초음파를 발생시키고, 에코 초음파에 의해 cMUT(100)로부터 출력되는 전기적 신호를 검출하는 구성으로, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuits; ASIC) 등으로 구현될 수 있다.
도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 집적회로(300)는 전면(前面)에 적어도 하나의 cMUT(100)이 장착될 수 있는 구조를 가지며, 플립 칩 본딩(flip-chip bonding)과 같은 칩 본딩 방식을 통해 cMUT(100)과 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 플립 칩 본딩의 대상이 되는 적어도 하나의 cMUT을 안전하게 거치하기 위한 집적회로(300)를 제작하고, 제작된 집적회로(300)에 적어도 하나의 cMUT을 안착시킨 후 플립 칩 본딩을 수행함으로써, 1:n 플립 칩 본딩이 가능하게 된다. 여기서, 1:n에서의 1은 플립 칩 본딩되는 집적회로(300)의 개수를, n은 플립 칩 본딩되는 cMUT의 개수를 의미한다.
도 2c는 집적회로에 장착된 cMUT을 예시한 단면도이다.
도 2c에는 집적회로(300)가 이격된 두 개의 수용홈을 구비하고, 각각의 수용홈에 cMUT(100) 장착된 형태를 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 각각의 집적회로(300)에는 하나 또는 세 개 이상의 cMUT(100)이 장착될 수도 있고, 수용홈이 구비되지 않은 집적회로(300)를 이용하는 것도 가능할 것이다.
한편, 전술한 바 있는 빔 포밍부가 본체(30)가 아닌 집적회로(300)에 포함될 수도 있다. 즉, 집적회로(300)에서 대상체로 송신하는 초음파의 시간차 또는 대상체로부터 수신되는 에코 초음파의 시간차가 조정될 수 있는 것이다.
프레임(340)은 타일링 프레임(tiling frame)으로써, 집적회로(300)를 타일 형태로 정렬시킨다. 구체적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 프레임(340)의 전면(前面)에 집적회로(300)의 모양, 크기 및 개수에 대응되는 적어도 하나의 수용홈이 소정의 간격을 두고 마련된다. 이와 같은 수용홈에 집적회로(300)가 삽입됨으로써 집적회로(300) 및 집적회로(300)에 장착된 cMUT(100)이 타일 형태로 정렬되고, cMUT(100)가 2차원 배열(array)을 형성할 수 있도록 한다.
프레임(340)은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 프레임의 형태에 따라 트랜스듀서 모듈(500)의 전체적인 형태 및 초음파의 발생 방향이 결정될 수 있다. 예를 들어, 프레임(340)은 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 평면적인 형태로 마련될 수 있으며, 그 형태에 따라 집적회로(300) 및 cMUT(100)가 평면적으로 적층되어, 2차원 배열된 적어도 하나의 cMUT(100)이 동일한 방향으로 초음파를 발생시킬 수 있다. 다른 예로, 프레임(340)이 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 달리 곡면 프레임으로 마련될 수도 있으며, 그에 따라 집적회로(300) 및 cMUT(100) 또한 곡면 형태로 적층되고, 다양한 방향으로 초음파가 발생될 수도 있다.
한편, 상술한 바와 같은 프레임(340)은 실시예에 따라 생략되는 것도 가능하며, 이 경우에는 집적회로(300)와 인쇄회로기판(240)이 직접 연결되는 것으로 한다.
인쇄회로기판(340)의 전면(前面)은 와이어 본딩 방식 등을 통해 집적회로(300)와 직접 연결되거나, 프레임(320)을 사이에 두고 집적회로(300)와 간접적으로 연결되어, 본체(30)로부터 수신받은 전기적 신호를 집적회로(300)에 전송하거나, 집적회로(300)로부터 수신받은 전기적 신호를 본체(30)로 전송할 수 있다.
도면에는 도시된 바 없으나, 인쇄회로기판(340)의 후면(後面)에는 집적회로(300)에서 발생하는 열을 흡수하는 히트 스프레더(heat spreader) 등이 더 구비될 수도 있다. 다만, cMUT(100)는 전술한 바 있는 에어 갭으로 인해 진동이 잘 전달되지 않기 때문에, 인쇄회로기판(340)의 후면에 잔류 진동 특성을 좋게 하는 백킹(backing)이 구비되지 않아도 되며, 이에 따라 트랜스듀서 모듈(500)의 구조 및 공정이 간략화 될 수 있다.
렌즈(200)는 cMUT(100)의 전면(前面)에 결합되어 cMUT(100)를 보호한다. 이와 동시에 cMUT(100)로부터 발생된 초음파가 프로브(10) 외부로 방출되어 대상체에 조사될 수 있도록 하고, 대상체로부터 반사된 에코 초음파가 집속되어 cMUT(100)에 수신될 수 있도록 한다. 이와 같은, 렌즈(200)는 RTV(Room Temperature Vulcanization) 등으로 구현될 수 있다.
바꾸어 말하면, cMUT(100)의 보호를 위해 cMUT(100)의 전면(前面)에 결합된 렌즈(200)의 박리현상이 방지되어야 하며, cMUT(100)에 의한 초음파 송수신의 감도 향상을 위해 cMUT(100) 및 렌즈(200)의 계면력이 향상되어야 한다. 따라서, 이하에서는 cMUT(100)와 렌즈(200)의 계면력 향상을 위한, cMUT(100)의 구조 및 공정에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 cMUT(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
적어도 하나의 cMUT(100)은 전술한 바 있듯이 평면적 형태로 2차원 배열을 이룰 수 있다. 그리고 각각의 cMUT(100)는 2차원 배열된 복수의 엘리먼트(element; 120)로 구성되고, 각각의 엘리먼트(120)는 2차원 배열된 복수의 셀(cell; 130)로 구성될 수 있다. 이 때, 각각의 셀(130)이 전술한 바 있는 앵커(131), 멤브레인(132A) 및 에어 갭(133)으로 구성되는 것이다.
예를 들어, 도 3에서 처럼 트랜스듀서 모듈(500)은 32개의 cMUT(100)가 4x8사이즈의 2차원 배열을 형성하고, 각각의 cMUT(100)는 256개의 엘리먼트(120)가 16x16사이즈의 2차원 배열을 형성하여, cMUT(100) 전체가 8192 개의 엘리먼트(120)로 이루어질 수 있다.
또한, 각각의 엘리먼트(120)는 25개의 셀(130)이 5x5사이즈의 2차원 배열을 형성하여, cMUT(100) 전체가 204,800 개의 셀(130)로 이루어질 수 있다. 다시 말하면, cMUT(100) 전체가 204,800개의 멤브레인(132A)을 포함할 수 있는 것이다.
도 4는 도 3에 예시된 엘리먼트에 대한 평면도이며, 도 5a는 셀의 일 실시예에 따른 구조를 나타내는 단면도이고, 도 5b는 셀의 다른 실시예에 따른 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 25개의 셀(130)로 구성된 엘리먼트(120)는 가로 및 세로 크기가 각각 수십 내지 수백 μm를 형성할 수 있으며, 각각의 셀(130)은 앵커(131) 위에 멤브레인(132A)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 도 5a 내지 도 5b는 도 4의 A-B방향으로 절단된 셀의 단면 구조를 각각의 실시예에 따라 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 5a의 첫번째 도면은 기본적인 셀 구조로서, 셀(130)은 Si, SiO2 또는 SiNx 등으로 구현된 앵커(131)에 Al, Au 등의 금속으로 구현된 제 1전극(132B)을 형성하고, 제 1전극(132B)의 전방에 진공의 에어 갭(133)을 형성한 후, 에어 갭 위에 Al, Au 등의 금속으로 구현된 제 2전극(132A)을 형성한다. 이 때, 제 2전극이 멤브레인이 되며, 에어 갭(133)을 사이에 두고 앵커(131)의 제 1전극(132B)과 전방의 멤브레인(132A)을 양 극으로하여 전류를 인가하면 전방의 멤브레인(132A)이 진동하면서 초음파가 발생하는 것이다.
한편, 렌즈(200)와의 계면력 향상을 위한 셀의 단면적 형태는 도 5a의 두번째 도면에 도시된 바와 같을 수 있다. 즉, 앵커(131)의 전면(前面)이 요철 구조를 이루도록 적어도 하나의 홈 H1을 생성할 수 있다. 이 때, 홈 H1을 앵커홈이라 정의하기로 한다. 요철 구조의 앵커(131)에 렌즈(200)를 도포하면, 도 5a의 세번째 도면에서 처럼 각각의 앵커홈(H1)에도 렌즈가 형성된다. 다시 말하면, 앵커홈(H1)의 내부와 렌즈의 일부가 맞닿아 렌즈(200)와의 접촉면적이 넓어질 수 있으며, 이에 따라 멤브레인을 구성하는 금속의 종류에 상관없이 계면력이 향상될 수 있게 되는 것이다.
도 5b의 첫번째 도면은 도 5a에서 설명한 바와 같은 기본적인 셀 구조이다. 그리고 계면력 향상을 위한, 다른 실시예에 따른 셀의 단면적 형태는 도 5b에 도시된 바와 같을 수 있다. 즉, 앵커(131) 및 멤브레인(132A)의 전면(前面)이 요철 구조를 이루도록, 앵커(131)뿐만 아니라 멤브레인(132A)에도 적어도 하나의 홈을 생성할 수 있다. 이 때, 앵커(131)에 생성된 적어도 하나의 홈 H1은 상술한 바와 같이 앵커홈이라 칭하며, 멤브레인(132A)에 생성된 적어도 하나의 홈 H2는 앵커홈(H1)에 대응하여 멤브레인홈이라 정의하기로 한다.
요철 구조의 앵커(131) 및 멤브레인(132A)에 렌즈(200)를 도포하면, 도 5b의 세번째 도면에서 처럼 각각의 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)에도 렌즈가 형성된다. 즉, 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)의 내부와 렌즈의 일부가 맞닿아 렌즈(200)와의 접촉면적이 넓어지고 계면력이 향상될 수 있는 것이다. 도 5b의 셀(130)은 멤브레인(132A)에서도 요철 구조를 형성하므로, 도 5a의 셀(130)보다 렌즈(200)와의 계면력이 더 향상될 수 있다.
도 6a는 셀의 일 실시예에 따른 평면도이고, 도 6b는 셀의 다른 실시예에 따른 평면도이다.
일 실시예에 따라 앵커(131)에 생성된 앵커홈(H1)은, 평면적으로 도 6a의 상측에 도시된 바와 같이 사각형의 패턴을 갖을 수도 있고, 도 6a의 하측에 도시된 바와 같이 삼각형의 패턴을 갖을 수도 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 사각형 또는 삼각형 패턴 외에 다른 형태의 패턴을 갖는 것도 가능하다.
다른 실시예에 따라 앵커(131) 및 멤브레인(132A)에 생성된 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)은 평면적으로 도 6b에 도시된 패턴을 갖을 수 있다. 구체적으로, 도 6b의 상측에 도시된 바와 같이 앵커홈(H1)과 멤브레인홈(H2) 모두 사각형의 패턴을 갖을 수도 있고, 도 6b의 하측에 도시시된 바와 같이 앵커홈(H1)은 삼각형의 패턴을 그리고 멤브레인홈(H2)은 사각형의 패턴을 갖을 수도 있는 것이다.
즉, 앵커홈(H1)과 멤브레인홈(H2)이 같은 형태의 패턴을 갖을 수도 있고, 서로 다른 형태의 패턴을 갖을 수도 있다. 그리고 같은 형태의 패턴을 갖더라도 앵커홈(H1)의 크기와 멤브레인홈(H2)의 크기가 서로 다를 수도 있다. 또한, 도 6b에 도시된 바와 달리 앵커홈(H1)이 사각형 또는 삼각형 패턴 외에 다른 형태의 패턴을 갖고, 멤브레인홈(H2) 또한 사각형 패턴 외에 다른 형태의 패턴을 갖는 것도 가능할 것이다.
한편, 상술한 바와 같은 앵커홈(H1) 또는 멤브레인홈(H2)의 평면적인 패턴을 이하 평면 패턴이라 칭하기로 한다.
앵커홈(H1) 또는 멤브레인홈(H2)을 생성하는 방법으로는 식각(etching), 증착(deposition) 또는 본딩(bonding) 등이 이용될 수 있다. 그리고 이와 같은 방법으로 생성된 앵커홈(H1) 또는 멤브레인홈(H2)의 단면적인 패턴은 다양한 형태를 갖을 수 있다. 이 때, 앵커홈(H1) 또는 멤브레인홈(H2)의 단면적인 패턴을 간단히 단면 패턴이라 칭할 수 있다.
이하에서는 도 7a 내지 도 도 11c를 참조하여, 앵커홈(H1)을 생성하는 방법 및 생성된 앵커홈(H1)의 단면 패턴에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 그리고 멤브레인홈(H2)을 생성하는 방법 및 생성된 단면 패턴은 앵커홈(H1)과의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
앵커홈(H1)은 전술한 바 있듯이 앵커(131)를 식각함으로써 생성될 수 있으며, 식각을 위해 드라이 에치(Dry etch) 또는 ? 에치(wet etch) 방식이 적용될 수 있다.
구체적으로, 수 μm 이내의 깊이로 앵커홈(H1)을 생성하기 위해서, CF4, SF6 등과 같은 불소계 가스(Flourine-based gas )를 이용하거나 CCl4 등과 같은 염소계 가스(Chlorine-based gas)를 이용하는 드라이 에치 방식이 적용되거나, BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하는 ? 에치 방식이 적용될 수 있다. 그리고 수십 수십 μm 내지 수백 μm의 깊이로 앵커홈(H1)을 생성하기 위해서, 반응성 이온 식각(Deep Reactive-Ion Etching; DRIE) 공정의 드라이 에치 방식이 적용되거나, KOH 또는 TMAH를 이용하는 ? 에치 방식이 적용될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 식각하는 과정의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 먼저 앵커(131)의 전면(前面)에 포토 레지스트(photo resist; 135)를 도포하고, 마스크 층을 형성한다. 마스크 층을 형성하는 구체적인 과정은 다음과 같다.
앵커(131)의 전면(前面) 전체에 걸쳐 포토 레지스트를 도포하고, 포토 레지스트 표면에 자외선 등의 빛을 선택적으로 조사한다. 이후 현상액을 이용하여 빛이 조사된 부분의 포토 레지스트를 제거한다. 예를 들어, 포토 레지스트가 포지티브 레지스트(positive resist)인 경우, 빛이 조사된 부분의 포토 레지스트는 빛에 의해 분해 또는 연화된 후 현상액을 통해 제거되고, 빛이 조사되지 않은 부분의 포토 레지스트는 경화된다.
이와 같이 경화되어 그대로 남는 포토 레지스트 부분이 마스크 층(135)을 형성하게 되는 것이다. 그리고 현상액을 통해 제거된 포토 레지스트 부분의 형태가 곧 앵커홈(H1)의 평면 패턴을 형성하게 된다. 바꾸어 말하면, 형성하고자 하는 앵커홈(H1)의 평면 패턴에 기초하여 빛을 선택적으로 조사할 수 있는 것이다.
다음으로 상술한 마스크 층(135)을 식각 차단막으로 하여 식각을 수행한다. 이 때, 불소계 가스(Flourine-based gas)를 이용하는 드라이 에치 방식이 적용될 수 있다. 즉, 앵커(131) 및 마스크 층(135) 상에 플라즈마 형태의 CF4, SF6를 제공하여 앵커홈(H1)을 생성할 수 있는데, 생성된 앵커홈(H1)은 도 7b에서 처럼 마스크 층(135)이 형성되지 않은 부분에서, 일면(一面)이 개방된 직사각 형태의 단면 패턴을 갖게 된다.
앵커홈(H1)이 생성되면, 도 7c에 도시된 바와 같이 마스크 층(135)을 제거한다.
상술한 바와 같이, 불소계 가스를 이용한 드라이 에치 방식에 따라, 단면 패턴이 직사각 형태인 앵커홈(H1)이 생성되며, 이 때 앵커홈(H1)의 깊이 d1은 수 μm 이내가 된다.
다만, 앵커홈(H1)의 단면 패턴이 다른 형태를 갖도록, ? 에치 방식을 적용할 수도 있다. 다시 말하면, 마스크 층(135)을 식각 차단막으로 하여 식각을 수행하는 단계에서, 플라즈마가 아닌 식각액을 이용할 수 있는 것이다.
도 8은 식각액에 의해 식각된 앵커의 일 예를 나타내는 단도면이다. 이 때, 식각액은 BOE(Buffered Oxide Etchant)가 될 수 있다.
마스크 층(135)이 형성된 앵커(131)를 식각액인 BOD에 침수시킴으로 앵커홈(H1)을 생성할 수 있으며, 생성된 앵커홈(H1)은 도 8에서 처럼 측면이 휘어진 단면 패턴을 갖게 된다. 앵커홈(H1)의 깊이는 불소계 가스를 이용한 때와 마찬가지로 수 μm 이내가 된다.
도 9는 식각액에 의해 식각된 앵커의 다른 예를 나타내는 단도면이다. 이 때, 식각액은 KOH 또는 TMAH 용액이 될 수 있다.
즉, 마스크 층(135)이 형성된 앵커(131)를 식각액인 KOH 또는 TMAH 에 침수시킴으로 앵커홈(H1)을 생성할 수 있는 것이다. 생성된 앵커홈(H1)은 도 9에서 처럼 θ°의 기울기를 형성하고 일면(一面)이 개방된 사다리꼴 형태의 단면 패턴을 갖게 되며, 앵커홈(H1)의 깊이는 불소계 가스를 이용하거나 BOD를 이용한 때와 달리, 수십 μm 내지 수백 μm를 이룰 수 있다.
수십 μm 내지 수백 μm 깊이의 앵커홈(H1)을 형성하기 위해, 전술한 바 있듯이 DRIE(Deep Reactive-Ion Etching) 공정의 드라이 에치 방식이 적용할 수도 있다.
도 10a 내지 도 10d는 DRIE(Deep Reactive-Ion Etching)에 의한 식각 과정을 예시한 도면이다.
앵커(131)의 전면(前面)에 포토 레지스트(photo resist; 135)를 도포하여 제 1마스크 층을 형성한다. 이 때, 제 1마스크 층의 형성 과정은 도 7a의 마스크 층 형성 과정과 동일한 것으로, 그에 대한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
형성된 제 1마스크 층(135)을 식각 차단막으로 하여 제 1식각을 수행한다. 구체적으로, 앵커(131) 및 제 1마스크 층(135) 상에 플라즈마 형태의 SF6를 제공한다. SF6을 구성하는 이온 SF5+ 는 제 1마스크 층(135)이 형성되지 않은 부분에서 앵커(131)와 반응하면서, 도 10a에서와 같이 깊이 d2의 제 1홈을 생성하게 된다.
도 10b에 도시된 것처럼, 제 1홈이 생성된 앵커(131)와 제 1마스크 층(135)의 전면(前面)에 C4F8나 CHF3 등과 같은 폴리머(Polymer)를 도포함으로 제 2마스크 층(136)을 형성한다.
그리고 제 2마스크 층(136) 상에 플라즈마 형태의 SF6를 다시 제공한다. 이온 SF5+ 는 도 10c에 도시된 바와 같이 측벽(sidewall)은 보호하면서 앵커(131)와 반응하여 제 2식각을 수행한다. 이에 따라 깊이 d3의 제 2홈이 생성된다. 즉, 제 2식각에 의해 제 1홈의 깊이 d2보다 깊은 깊이 d3의 제 2홈이 생성되는 것이다.
제 2마스크 층(136)의 형성 및 제 2식각을 반복수행하고, 제 1마스크 층(135)을 제거한다. 따라서 도 10d에 도시된 바와 같은, 깊이 d4의 앵커홈(H1)이 생성될 수 있으며, 이 때 깊이 d4가 수십 μm 내지 수백 μm 를 이룰 수 있는 것이다.
멤브레인홈(H2)은 앵커홈(H1)과 마찬가지로 식각을 이용하여 형성될 수 있으나, 앵커홈(H1)과 달리 깊이의 제한을 받는다.
구체적으로, cMUT(100)은 멤브레인(132A)의 진동을 이용하여 초음파를 발생시키고 에코 초음파를 수신하기 때문에, 초음파의 송수신 효율은 멤브레인(132A)의 공진 주파수에 영향을 받게 된다. 일 예로, 멤브레인(132A)의 공진 주파수에 따라 초음파의 투과율이 달라질 수 있다. 그리고 공진 주파수는 하기의 [수학식 1]에서와 같이 멤브레인(132A)의 질량에 영향을 받는다.
[수학식 1]
Figure pct00001
여기서, fc 는 멤브레인의 공진 주파수, m은 멤브레인의 질량을 의미한다.
즉, 공진 주파수는 멤브레인(132A)의 질량과 반비례 관계를 형성하므로, 식각에 의해 멤브레인(132A)의 질량이 과다하게 감소되는 경우, 그와 반대로 공진 주파수는 과다하게 증가하게 된다. 결국에는 초음파의 투과율 등이 오히려 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 렌즈와의 접촉면적을 넓히기 위해 앵커(131) 또는 멤브레인(132A)이 식각되는 깊이를 증가시킬 수 있으나, 멤브레인홈(H2)의 식각 깊이는 제한되게 된다. 예를 들어, 초기 멤브레인(132A)의 두께가 0.2μm라 할 때, 멤브레인홈(H2)의 깊이는 0.02μm를 초과하지 않도록 식각되어야 한다.
이와 같이 멤브레인홈(H2)은 수 μm 이내로 형성되어야 하며, 따라서 멤브레인(132A)의 식각을 위해 CCl4와 같은 염소계 가스(Chlorine-based gas)를 플라즈마 형태로 제공하는 드라이 에치 방식이 적용되거나, 금속 전용 식각액에 침수시키는 ? 에치 방식이 적용된다.
앵커홈(H1)은 증착을 통해 생성될 수도 있다.
구체적으로, Si, SiO2 또는 SiNx 등으로 이루어진 층(131A)에 폴리실리콘(polysilicon), SInx, SIO2 등을 증착시켜, 도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이 증착 막(131b)을 형성한다. 증착 막(131b)의 형성으로 앵커홈(H1)이 생성된 앵커(131)를 구성할 수 있으며, 이 때 앵커홈(H1)의 단면 패턴은 도 11a및 도 11c에서처럼 측면이 수직이거나 경사진 형태로 생성될 수도 있고, 도 11b에서처럼 측면이 휘어진 형태로 생성될 수도 있다.
멤브레인홈(H2)의 생성 시에도, 폴리실리콘(polysilicon), SInx, SIO2 등을 증착시키는 방법을 이용할 수 있다. 다시 말하면, Al, Au 등으로 이루어진 금속 층에 폴리실리콘(polysilicon), SInx, SIO2 등의 증착 막을 형성하여, 측면이 수직이거나 경사진 또는 휘어진 형태의 멤브레인홈(H2)을 생성하고, 이와 같은 금속 층과 증착 막으로 멤브레인(132A)를 구성할 수 있다.
이 때, 금속 층의 변형 온도 및 녹는 온도를 고려하여 증착 막을 형성한다. 예를 들어, 금속 층이 Al인 경우, 증착 막은 Al의 녹는점인 450°C 이하에서 증착이 가능한 PE-CVD(plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터(sputter) 및 증발기(evaporator) 등을 이용하여 증착시킬 수 있는 것이다.
앵커홈(H1) 또는 멤브레일홈(H2)은 유테틱 본딩(eutectic bonding), 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding), 에폭시 본딩(epoxy bonding) 등과 같은 본딩을 통해 생성될 수도 있다.
여기서, 유테틱 본딩(eutectic bonding)이란 Sn-Au, Sn-Ag 등과 같이 유테틱 공정이 가능한 금속 결합을 통해 본딩하는 것이고, 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding)이란 Si와 Si 사이에 SiO2를 형성한 후, 온도와 압력을 가하여 본딩하는 것이며, 에폭시 본딩(epoxy bonding)이란 에폭시를 도포하여 본딩하는 것이다. 유테틱 본딩(eutectic bonding), 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding), 에폭시 본딩(epoxy bonding)는 공지기술인 바, 이에 대한 더욱 구체적인 설명은 이하 생략하기로 한다.
한편, 멤브레인홈(H2)의 식각 깊이가 제한되는 것처럼, 증착 또는 본딩을 통해 생성되는 멤브레인홈(H2)의 깊이도 제한된다.
이상으로 트랜스듀서 모듈(500)의 구성 더 정확하게는, 렌즈(200)와의 계면력 향상을 위해 요철 구조를 가지는 앵커(131) 및 멤브레인(132a)에 대해 설명하였다. 즉, 앵커홈(H1)이 생성된 앵커(131) 및 멤브레인홈(H2)이 생성된 멤브레인(132a)에 대해 설명하였다. 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여, 상술한 앵커홈(H1) 또는 멤브레인홈(H2)을 포함하는 트랜스듀서 모듈(500)의 제작방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 12는 프로브의 제조방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 먼저 cMUT(100)가 요철 구조를 이루도록 cMUT(100)의 전면(前面) 더 정확하게 말하면, 앵커(131)의 전면(前面)에 앵커홈(H1)을 생성한다(700).
앵커홈(H1)을 생성하는 방법으로는 식각(etching), 증착(deposition) 또는 본딩(bonding) 등이 이용될 수 있다.
식각의 경우, 수 μm 이내의 깊이로 앵커홈(H1)을 생성하기 위해서, CF4, SF6 등과 같은 불소계 가스(Flourine-based gas )를 이용하거나 CCl4 등과 같은 염소계 가스(Chlorine-based gas)를 이용하는 드라이 에치 방식을 적용하거나, BOE(Buffered Oxide Etchant)를 이용하는 ? 에치 방식을 적용할 수 있다. 그리고 수십 수십 μm 내지 수백 μm의 깊이로 앵커홈(H1)을 생성하기 위해서, 반응성 이온 식각(Deep Reactive-Ion Etching; DRIE) 공정의 드라이 에치 방식을 적용하거나, KOH 또는 TMAH를 이용하는 ? 에치 방식을 적용할 수 있다.
증착의 경우, 폴리실리콘(polysilicon), SInx, SIO2 등과 같은 증착 막을 형성하여 앵커홈(H1)을 생성할 수 있다.
본딩의 경우, 앵커홈(H1)은 유테틱 본딩(eutectic bonding), 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding), 에폭시 본딩(epoxy bonding) 중 적어도 하나를 이용하여 앵커홈(H1)을 생성할 수 있다.
식각, 증착 또는 본딩 등을 통해 생성된 앵커홈(H1)은, 평면적으로 도 6a에 도시된 바와 같이 일정한 간격을 두고 사각형, 삼각형 등 다각형의 반복 패턴을 갖을 수 있다. 그 외에 원형의 반복 패턴을 갖을 수도 있다. 또한, 단면적으로도 도 11a 및 도 11c에서 처럼 측면이 수직 또는 경사진의 반복 패턴을 갖거나, 도 11b에서 처럼 측면이 휘어진 반복 패턴을 갖을 수도 있다.
다음으로, cMUT(100)을 클리닝한다(710). 다시 말하면, cMUT(100)을 클리닝 후드(cleaning)에서, IPA(isopropyl alcohol or isopropanol), 초음파 등을 이용하여 클리닝한다.
요철 구조가 형성된 cMUT(100)의 전면(前面)에 렌즈를 도포한다(720). 이 때, 렌즈(200)의 재료로써 RTV를 이용할 수 있다.
탈포(out-gasing) 및 압착(pressing)을 수행한다(730). 예를 들어, 도포된 렌즈(200)를 진공 챔버(vacuum chamber)에서 15min@3x10-3Torr로 탈포하고, 렌즈(200)를 스프링을 파워를 이용하여 cMUT(100)에 압착시킬 수 있다.
오븐에서 베이킹(baking)하여, cMUT(100)에 압착된 렌즈(200)가 고형화되도록 한다(740). 이 때, 일 예로, 6hr@50°C의 베이킹을 수행할 수 있다.
이와 같은 제조과정에 따라 앵커홈(H1)의 내부와 렌즈의 일부가 맞닿아 렌즈(200)와의 접촉면적이 넓어질 수 있으며, 이에 따라 멤브레인을 구성하는 금속의 종류에 상관없이 cMUT(100)과 렌즈(200)간의 계면력이 향상될 수 있다.
도 13은 프로브의 제조방법의 다른 실시예에 따른 흐름도이다.
도 13를 참조하면, 먼저 cMUT(100)가 요철 구조를 이루도록 cMUT(100)의 전면(前面) 더 정확하게 말하면, 앵커(131)의 전면(前面)에 앵커홈(H1)을 생성하고, 멤브레인(132A)의 전면(前面)에 멤브레인홈(H2)을 생성한다(800).
앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)을 생성하는 방법으로는 식각(etching), 증착(deposition) 또는 본딩(bonding) 등이 이용될 수 있다. 앵커홈(H1)을 생성하는 구체적인 방법은 도 12를 통해 설명한 바와 동일하며, 멤브레인홈(H2)의 생성하는 구체적인 방법은 다음과 같다.
식각의 경우, CCl4와 같은 염소계 가스(Chlorine-based gas)를 플라즈마 형태로 제공하는 드라이 에치 방식을 적용하거나, 금속 전용 식각액에 침수시키는 ? 에치 방식을 적용할 수 있다.
증착의 경우, Al, Au 등으로 이루어진 금속 층에 폴리실리콘(polysilicon), SInx, SIO2 등의 증착 막을 형성하여 멤브레인홈(H2)을 생성할 수 있다. 이 때, 금속 층의 녹는점 이하에서 증착이 가능하도록, 증착 막은 PE-CVD(plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터(sputter) 및 증발기(evaporator) 등을 이용하여 증착시킬 수 있다.
본딩의 경우, 멤브레일홈(H2)은 유테틱 본딩(eutectic bonding), 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding), 에폭시 본딩(epoxy bonding) 중 적어도 하나를 이용하여 앵커홈(H1)을 생성할 수 있다.
식각, 증착 또는 본딩 등을 통해 생성된 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)은, 평면적으로 도 6a에 도시된 바와 같이 일정한 간격을 두고 사각형, 삼각형 등 다각형의 반복 패턴을 갖을 수 있다. 그 외에 원형의 반복 패턴을 갖을 수도 있다. 또한, 단면적으로도 도 11a 및 도 11c에서 처럼 측면이 수직 또는 경사진 반복 패턴을 갖거나, 도 11b에서 처럼 측면이 휘어진 반복 패턴을 갖을 수도 있다.
앵커홈(H1)과 멤브레인홈(H2)이 모두 같은 형태의 패턴을 갖을 수도 있고, 서로 다른 형태의 패턴을 갖을 수도 있다. 같은 형태의 패턴을 갖더라도 앵커홈(H1)의 크기와 멤브레인홈(H2)의 크기가 서로 다를 수도 있다.
한편, 전술한 바 있듯이, 렌즈와의 접촉면적을 넓히기 위해 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)의 깊이를 증가시킬 수 있으나, 초음파의 송수신 효율, 공진 주파수 및 질량의 관계에 따라 생성할 수 있는 멤브레인홈(H2)의 깊이는 제한되게 된다. 예를 들어, 초기 멤브레인(132A)의 두께가 0.2μm라 할 때, 멤브레인홈(H2)은 0.02μm 깊이를 초과하지 않도록 생성하는 것이다.
다음으로, cMUT(100)의 클리닝 과정(810), 렌즈(200)의 도포 과정(820), 탈포(out-gasing) 및 압착(pressing) 과정(830), 베이킹(baking) 과정(840)을 순차적으로 수행하여, 이는 도 12를 통해 설명한 710 내지 740 과정과 동일한 것으로 구체적 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 제조과정에 따라 앵커홈(H1) 및 멤브레인홈(H2)의 내부와 렌즈의 일부가 맞닿아 렌즈(200)와의 접촉면적이 넓어질 수 있으며, 멤브레인을 구성하는 금속의 종류에 상관없이 cMUT(100)과 렌즈(200)간의 계면력이 향상될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서, 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서를 이용한 트랜스듀서 모듈 및 트랜스듀서 모듈의 제조방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (28)

  1. 앵커(anchor); 및
    상기 앵커와 결합되는 멤브레인(membrane)을 포함하고,
    상기 앵커는,
    적어도 하나의 앵커홈을 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; cMUT).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은,
    적어도 하나의 멤브레인홈을 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 앵커는,
    Si, SiO2, SiNx 중 적어도 하나를 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 멤브레인은,
    Al 및 Au 중 적어도 하나를 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    다각형 또는 원형의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    서로 다른 형태의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    서로 다른 크기의 패턴을 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은,
    휘어지도록 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은,
    경사지도록 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈은,
    서로 다른 깊이를 갖는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  11. 제 1항 또는 2 항에 있어서,
    상기 앵커홈 또는 상기 멤브레인홈은,
    식각, 증착 및 본딩 중 적어도 하나를 이용하여 형성되는 미세가공 정전용량형 초음파 스랜스듀서.
  12. 앵커(anchor) 및 상기 앵커와 결합되는 멤브레인(membrane)을 포함하는 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; cMUT); 및
    상기 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서와 결합되는 렌즈;
    를 포함하고,
    상기 앵커는,
    적어도 하나의 앵커홈을 포함하는 프로브(probe).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 멤브레인은,
    적어도 하나의 멤브레인홈을 포함하는 프로브.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    다각형 또는 원형의 패턴을 갖는 프로브.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    서로 다른 형태의 패턴을 갖는 프로브.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면은,
    서로 다른 크기의 패턴을 갖는 프로브.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은,
    휘어지도록 형성되는 프로브.
  18. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면은,
    경사지도록 형성되는 프로브.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈은,
    서로 다른 깊이를 갖는 프로브.
  20. 앵커(anchor)에 적어도 하나의 앵커홈을 형성하는 단계; 및
    상기 앵커 및 상기 앵커와 결합된 멤브레인(membrane)에 렌즈를 도포하는 단계;
    를 포함하는 프로브의 제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 멤브레인에 적어도 하나의 멤브레인홈을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 프로브의 제조방법.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는,
    상기 앵커홈의 개구면 또는 상기 멤브레인홈의 개구면이 다각형 또는 원형의 패턴을 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는,
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면이 서로 다른 형태의 패턴을 갖는 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는
    상기 앵커홈의 개구면 및 상기 멤브레인홈의 개구면이 서로 다른 크기의 패턴을 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  25. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면이 휘어지도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  26. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는,
    상기 앵커홈의 측면 또는 상기 멤브레인홈의 측면이 경사지도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 및 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는
    상기 앵커홈 및 상기 멤브레인홈이 서로 다른 깊이를 갖도록 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
  28. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 앵커홈을 형성하는 단계 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 단계는,
    식각, 증착 및 본딩 중 적어도 하나를 이용하여 상기 앵커홈 또는 상기 멤브레인홈을 형성하는 것을 포함하는 프로브의 제조방법.
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