KR20160024303A - 초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법 - Google Patents

초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법이 개시된다.
개시된 초음파 변환기 모듈은, 제1전극 패드를 가지는 초음파 변환기와, 제2 전극 패드와, 상기 초음파 변환기를 수용하는 개구부를 가지는 회로 기판을 포함하고, 상기 제1전극 패드와 제2전극 패드를 직접 결합 방식에 의해 결합할 수 있다.

Description

초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법{Ultrasonic transducer and method of manufacturing ultrasonic transducer}
예시적인 실시예는 초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기, 및 초음파 변환기의 제조 방법에 관한 것이다.
초음파 변환기(ultrasonic transducer, MUT)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다. 초음파 변환기는 예를 들어, 의료 영상 진단 기기에 사용되는데, 비침습적(non-invasive)으로 신체의 조직이나 기관의 사진이나 영상을 얻을 수 있다. 초음파 변환기는 그 변환 방식에 따라서, 압전형 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT), 정전 용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT), 자기형 초음파 변환기(magnetic micromachined ultrasonic transducer, mMUT) 등으로 나뉠 수 있다. 그 중에 정전 용량형 초음파 변환기가 많이 사용된다.
정전 용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)는 실리콘 웨이퍼 위에 미세 가공된 수백 또는 수천 개에 달하는 진동막의 변위차를 이용하여 초음파를 송수신한다. cMUT는 일반 반도체 공정에 이용되는 실리콘 웨이퍼 위에 박막을 구비하고, 웨이퍼와 박막 사이에 캐비티(cavity)를 구비할 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼, 박막, 캐비티에 의해 커패시터가 형성될 수 있다. 커패시터에 교류 전류를 흘리면 박막이 진동하고, 이로부터 초음파가 발생될 수 있다. 정전 용량형 초음파 변환기는 상기 박막의 진동에 의해 환자의 상태를 안전하고, 정밀하게 관측할 수 있다.
예시적인 실시예는 회로 기판과 초음파 변환기의 결합 구조를 단순화한 초음파 변환기 모듈을 제공한다.
예시적인 실시예는 엘리먼트 사이의 절연 특성을 향상한 초음파 변환기를 제공한다.
예시적인 실시예는 초음파 변환기의 제조 방법을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈은,
기판과, 상기 기판으로부터 이격된 박막층과, 상기 박막층을 지지하는 지지부와, 상기 기판 상의 제1 전극 패드를 포함하는 초음파 변환기; 및
몸체와, 상기 몸체에 구비된 것으로 상기 박막층을 수용하는 개구부와, 상기 제1 전극 패드와 결합되는 제2 전극 패드를 포함하는 회로 기판;을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 패드와 제2 전극 패드가 직접 본딩 방식으로 결합될 수 있다.
상기 제1 전극 패드와 제2 전극 패드가 플립칩 본딩 방식 또는 표면 실장 기술에 의해 결합될 수 있다.
상기 회로 기판은 상기 몸체로부터 연장된 플렉시블 커넥터를 더 포함할 수있다.
상기 초음파 변환기는 상기 기판과 지지부 사이에 구비된 것으로, 서로 이격되어 배치된 복수 개의 제1전극층을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층에 코팅된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판과 제1전극층 사이에 접착층을 더 포함할 수 있다.
상기 접착층은 금속 또는 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 접착층은 흡음재를 포함할 수 있다.
상기 기판은 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함할 수 있다.
상기 기판이 상기 박막층을 향한 상층부에 다공성 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기는,
기판;
상기 기판 상의 복수 개의 제1전극층;
상기 복수 개의 전극층 사이의 스페이스;
상기 기판과 복수 개의 제1전극층 사이에 구비된 절연층;
상기 복수 개의 제1전극층 상의 지지부;
상기 지지부에 의해 지지되는 박막층;
상기 복수 개의 제1전극층과 박막층 사이의 캐비티; 및
상기 박막층 상의 제2전극층;을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기는,
제1기판, 제1절연층, 및 박막층을 포함하는 웨이퍼를 형성하는 단계;
상기 박막층 상에 제2절연층을 증착하는 단계;
상기 제2절연층을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;
상기 제2절연층 상에 제2기판을 결합하는 단계;
상기 제2기판을 관통하도록 식각하여 전기적으로 독립되는 복수 개의 제1전극층을 형성하는 단계;
상기 제1전극층 상에 제3절연층을 증착하는 단계;
상기 제3절연층 상에 제3기판을 결합하는 단계;
상기 제1기판과 제1절연층을 제거하는 단계; 및
상기 박막층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈은 회로 기판과 초음파 변환기의 결합 구조를 단순화시킬 수 있다. 초음파 변환기와 회로 기판을 결합시 와이어 본딩 결합에 의하지 않고 직접 본딩 결합에 의해 결합함으로써, 초음파 변환기의 유효 영역을 상대적으로 넓게 확보할 수 있다. 그리고, 초음파 변환기 모듈의 전체 두께를 감소시킬 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기는 엘리먼트 사이의 절연 특성을 향상할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기는 바깥 쪽에 그라운드 전극이 배치되어 보다 안전하게 초음파 변환기를 사용할 수 있도록 한다. 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 간단한 공정을 통해 그라운드 전극과 신호 전극 패드를 배치할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈의 분리 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈의 회로 기판의 저면도이다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈을 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 초음파 변환기 모듈의 변형 예를 도시한 것이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6 내지 도 15는 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 16 및 도 17은 다른 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법을 도시한 것이다.
이하, 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 예시적인 초음파 변환기 모듈(1)의 분리 단면도를 도시한 것이다.
초음파 변환기 모듈(1)은 초음파 변환기(10)와, 상기 초음파 변환기(10)에 전기적 신호를 공급하기 위한 회로 기판(30)을 포함할 수 있다. 도 2는 회로 기판(30)의 저면도를 도시한 것이다.
초음파 변환기(10)는 기판(11)과, 상기 기판(11)으로부터 이격된 박막층(15)과, 상기 박막층(15)을 지지하는 지지부(13)를 포함할 수 있다. 기판(11)과 박막층(15) 사이에 캐비티(17)가 구비될 수 있다. 기판(11)과 박막층(15) 사이에 전기가 공급되면, 상기 캐비티(17)에서의 정전 용량의 변화로 인해 박막층(15)이 진동을 하여 초음파를 발생할 수 있다.
도 1에서는 상기 초음파 변환기(10)의 예시적인 예를 도시한 것이고, 정전 용량을 이용하여 박막층을 진동시킴으로써 초음파를 발생하고, 외부로부터의 초음파에 의해 박막층이 진동되고, 박막층의 진동 변화를 전기적 신호를 변환하는 원리로 구동되는 어떠한 구조의 초음파 변환기도 포함될 수 있다.
상기 초음파 변환기(10)는 전기적으로 독립된 복수 개의 엘리먼트를 포함할수 있으며, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 한 개의 엘리먼트만을 도시한 것이다. 엘리먼트마다 적어도 하나의 제1 전극 패드(20)를 포함할 수 있다. 전극 구조에 대해서는 후술하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 회로 기판(30)은 몸체(32)와, 상기 몸체(32)에 구비된 개구부(35)와, 상기 몸체(32)의 일 측에 구비된 제2 전극 패드(40)를 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(30)은 인쇄 회로 기판일 수 있다. 상기 개구부(35)는 상기 박막층(15)이 개구부를 통해 개방될 수 있는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 변환기(10)와 회로 기판(30)이 결합될 때, 상기 개구부(35)에 박막층(15)이 수용될 수 있다. 상기 박막층(15)이 개구부(35)를 통해 개방될 수 있으므로 박막층에서 초음파를 발생하거나, 초음파가 박막층으로 수신될 때 회로 기판에 의해 방해 받지 않도록 할 수 있다.
상기 제2 전극 패드(40)는 상기 제1 전극 패드(20)와 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 초음파 변환기(10)와 회로 기판(30)이 결합될 때, 상기 제1 전극 패드(20)와 제2 전극 패드(40)가 직접 결합 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 변환기(10)와 회로 기판(30)이 플립칩 본딩(flip chip bonding) 방식 또는 표면 실장 기술(SMT: Surface Mounting Technology)에 의해 결합될 수 있다.
상기 몸체(32)에 전기 구동부(미도시)에 결합되는 커넥터(43)가 더 구비될 수있다. 커넥터(43)는 플렉시블(flexible) 재질로 형성될 수 있다. 커넥터(43)에는 예를 들어 회로 기판(30)을 고정하기 위한 고정핀(미도시)에 결합되는 적어도 하나의 홀(45)이 구비될 수 있다. 고정핀은 상기 초음파 변환기(10)와 회로 기판(30)을 결합시, 제1전극 패드(20)와 제2전극 패드(40)가 정확하게 얼라인될 수 있도록 고정 지그에 미리 형성될 수 있다.
상기 커넥터(43)는 플렉시블하므로 결합하고자 하는 부품의 위치에 따라 자유롭게 구부려 사용할 수 있다. 커넥터(43)는 몸체(32)에 겹합시 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 몸체(32)의 저면 테두리에 결합부(37)가 더 구비되고, 몸체(32)와 결합부(37) 사이에 커넥터(43)의 일단부가 삽입되어 결합될 수 있다. 커넥터(43)의 결합 방법은 여기에 한정되는 것은 아니고, 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
예시적인 실시예에서는 초음파 변환기(10)와 회로 기판(30)을 와이어 본딩을 하지 않고, 직접 결합 방식으로 결합할 수 있다. 와이어 본딩을 하는 경우에는 와이어 본딩한 것을 덮는 보호층이 필요하다. 그런데, 이러한 보호층이 초음파 변환기의 박막층까지 덮게 되어 박막층의 유효 영역을 감소시킬 수 있으며, 보호층으로 인해 두께가 증가하는 요인이 되었다. 본 실시예에서는 와이어 본딩 없이 직접 본딩 방식에 의해 초음파 변환기 모듈을 제작할 수 있으므로, 초음파 변환기(10)의 박막층의 유효 영역을 유지할 수 있으며, 초음파 변환기와 회로 기판을 간단하게 결합할 수 있다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈(100)을 도시한 것이다.
초음파 변환기 모듈(100)은 초음파 변환기(110)와 회로 기판(130)을 포함할 수 있다.
초음파 변환기(110)는 기판(111)과, 상기 기판(111) 상의 복수 개의 제1전극층(118), 상기 제1전극층(118) 상의 지지부(113) 및 상기 지지부(113)에 의해 지지된 박막층(115)을 포함할 수 있다.
상기 기판(111)은 예를 들어, 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함할 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니고 반도체 공정에 적합한 기판은 모두 사용 가능하다.
상기 제1전극층(118)은 전도성 재질로 형성될 수 있다. 제1전극층(118)은 예를 들어 저저항 실리콘층을 포함할 수 있다. 저저항 실리콘층은 고농도로 도핑되어 저저항을 가질 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 복수 개의 제1전극층(118)은 전기적으로 독립될 수 있도록 서로 이격될 수 있다. 복수 개의 제1전극층(118) 사이에 스페이스(116)가 구비될 수 있다. 상기 스페이스(116)에 의해 이웃하는 제1전극층(118)은 절연될 수 있다. 복수 개의 제1전극층(118)이 전기적으로 독립된 영역을 엘리먼트로 정의할 수 있으며, 엘리먼트에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
상기 기판(111)과 제1전극층(118) 사이에 제1절연층(119)이 더 구비될 수 있다. 상기 제1절연층(119)은 상기 기판(111)과 상기 제1전극층(118)사이, 제1전극층(118)의 측벽에 구비될 수 있다. 따라서, 제1절연층(119)은 제1전극층(118) 사이의 절연 특성을 향상할 수 있다. 제1절연층(119)은 예를 들어, 산화물 또는 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.
제1전극층(118) 상부에 박막층(115)이 구비되고, 제1전극층(118)과 박막층(115) 사이에 캐비티(118)가 구비될 수 있다. 상기 지지부(113)는 절연 재질로 형성될 수 있다. 박막층(115)은 캐비티(118)에서의 정전 용량 변화에 따라 진동될 수 있다.
상기 박막층(115) 상에 제2전극층(123)이 구비될 수 있다. 제2전극층(123)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 제2전극층(123)은 예를 들어, 실리콘으로 형성될 수 있다. 제2전극층(123)은 박막층 전체를 덮도록 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1전극층(118)은 각 엘리먼트에 구동 신호를 인가하는 신호 전극일 수 있고, 제2전극층(123)은 공통 접지 전극일 수 있다. 본 실시예의 초음파 변환기 모듈이 환자에게 사용될 때, 공통 접지 전극이 환자 쪽을 향해 사용되므로, 초음파 변환기 모듈에 고전압이 흐르더라도 안전하게 사용될 수 있다. 상기 제1전극층(118)에는 적어도 하나의 제1전극 패드(120)가 구비될 수 있다.
회로 기판(130)은 몸체(132)와, 상기 몸체(132)에 구비된 개구부(135)와, 상기 몸체(132)의 일 측에 구비된 제2 전극 패드(140)를 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(130)은 인쇄 회로 기판일 수 있다. 상기 개구부(135)는 상기 박막층(115)이 개구부를 통해 개방될 수 있는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 변환기(110)와 회로 기판(130)이 결합시, 상기 개구부(135)에 박막층(115)이 수용될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(120)와 제2 전극 패드(140)가 직접 결합 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 변환기(110)와 회로 기판(130)이 플립칩 본딩(flip chip bonding) 방식 또는 표면 실장 기술(SMT: Surface Mounting Technology)에 의해 결합될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(120)(140)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(120)(140)는 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Cu, Sn, Ag, Al, Pt, Ti, Ni, Cr 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
상기 몸체(132)에 전기 구동부(미도시)에 결합되는 커넥터(143)가 더 구비될 수있다. 커넥터(43)는 플렉시블(flexible) 재질로 형성될 수 있다. 커넥터(143)에는 적어도 하나의 홀(145)이 구비될 수 있다. 상기 커넥터(143)는 플렉시블하므로 결합하고자 하는 부품의 위치에 따라 자유롭게 구부려 사용할 수 있다. 몸체(132)의 저면 테두리에 결합부(137)가 더 구비되고, 몸체(132)와 결합부(137) 사이에 커넥터(143)의 일단부가 삽입되어 결합될 수 있다. 커넥터(143)의 결합 방법은 여기에 한정되는 것은 아니고, 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
본 실시예에서는 박막층(115)이 회로 기판(130)의 개구부(135)를 통해 개방되고, 제1전극 패드(120)와 제2전극 패드(140)가 직접 본딩 방식에 의해 결합되므로, 초음파 변환 모듈을 용이하게 제작할 수 있다. 또한, 박막층의 유효 영역을 감소시키는 일 없이, 초음파 변환기와 회로 기판을 결합할 수 있다.
또한, 복수 개의 제1전극층 사이의 스페이스 둘레에 절연층이 개재되어 엘리먼트 사이의 절연 특성을 향상할 수 있다. 그러므로, 전기적으로 독립되는 단위인 엘리먼트 사이의 전기적 크로스토크를 줄일 수 있다.
한편, 기판(111)과 복수개의 제1전극층(118) 사이에 접착층(112)이 더 구비될 수 있다. 접착층(112)은 예를 들어, 금속 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 또는, 접착층(112)은 흡음재를 포함할 수 있다. 흡음재는 다공성 재질로 형성될 수 있다. 흡음재는 박막층(115)의 진동으로 인한 초음파가 제1전극층 아래로 전파된 것을 흡수할 수 있다. 그러므로, 박막층(115)의 진동으로 인한 초음파가 제1전극층 아래를 통해 이웃하는 엘리먼트로 전파되어 크로스토크로 작용하여 초음파 측정의 정확도를 저하시키는 것을 줄일 수 있다.
또는, 기판(111) 상에 다공성 가공을 하여 크로스토크를 줄일 수 있다. 예를 들어, 기판(111)의 상기 박막층(115)을 향한 상층부에 다공성 물질을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 기판(111)의 전체 면에 접착층(112)을 구비하여, 박막층의 진동이 기판(111)으로까지 전파되는 것을 줄일 수 있고, 그럼으로써 기판 진동으로 인한 주파수 왜곡을 줄일 수 있다.
다음, 도 4는 도 3에 도시된 실시예의 초음파 변환기 모듈(100)에서 제2절연층(125)을 더 구비한 예를 도시한 것이다. 나머지 구성 요소들은 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 상기 제2절연층(125)은 박막층(115)의 캐비티(117)를 향한 면에 구비될 수 있다.
상기 제2절연층(125)은 박막층(115)이 제1전극층(118)과 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 캐비티(117)의 간격이 작아 박막층(115)이 진동시 제1전극층(118)과 접촉될 수 있고, 이때 상기 제2절연층(125)이 박막층(115)과 제1전극층(118)이 전기적으로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기(110)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다. 초음파 변환기(110)는 전기적으로 독립적으로 구동되는 복수 개의 엘리먼트(EL)를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 예를 들어 1차원적으로 배열될 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 각각 적어도 하나의 셀(CELL)을 포함할 수 있다. 셀(CELL)은 캐비티에 의해 정의되는 최소 초음파 진동 단위일 수 있다. 도 5에서는 셀이 원형 단면 형상을 가지는 예를 도시하였으나, 셀의 형상은 여기에 한정되는 것은 아니고, 사각형 단면 형상, 다각형 단면 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 5는 엘리먼트(EL)와 셀(CELL)의 관계를 보여주고, 전극 구조를 보여 주기 위해 개략적으로 도시한 것이고, 도 3에서의 초음파 변환기와 정확하게 1:1 메칭되는 것은 아니다. 도 4에 도시된 초음파 변환기(110)는 도 5의 A-A선 단면도를 간략하게 도시한 것이다. 각 엘리먼트(EL)에서 하나의 셀(CELL)만을 도시하고, 엘리먼트(EL)가 스페이스(116)에 의해 구별되도록 도시하였으며, 복수 개의 엘리먼트를 도시하였다. 각 엘리먼트마다 제1 전극 패드(120)가 하나씩 구비되는 예를 도시하였다. 제1 전극 패드(120)가 각 엘리먼트마다 위치를 교대로 바꾸어 배치될 수 있다. 하지만, 이러한 구조는 일 예일 뿐이며, 전극 구조나 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제2전극층(123)에는 적어도 하나의 제3전극 패드(145)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제2전극층(123)의 각 코너에 각각 제3전극 패드(145)가 구비될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈의 동작을 설명하면 다음과 같다.
제1 내지 제3 전극 패드(120)(140)(145)를 통해 제1전극층(118)과 제2전극층(123)에 DC 전압이 인가되면, 박막층(115)은 제1전극층(118)과 제2전극층(123) 사이의 정전력과 박막층(115)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 그리고, 제1전극층(118)과 제2전극층(123)에 AC 전압이 인가되면, 제1전극층(118)과 제2전극층(123) 사이의 정전력 변화에 의해서 박막층(115)이 진동할 수 있다. 그리고, 이 진동에 의해서 박막층(115)으로부터 초음파 신호가 송신될 수 있다. 다음, 초음파 변환기 모듈의 수신 동작에 대해 설명한다. 초기화를 위해, 제1 내지 제3 전극 패드(120)(140)(145)를 통해 제1전극층(118)과 제2전극층(123)에 DC 전압이 인가되면, 박막층(115)은 제1전극층(118)과 제2전극층(123) 사이의 정전력과 박막층(115)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 이 상태에서, 외부로부터 물리적 신호, 예를 들어, 음향 신호가 박막층(115)에 입력되면, 박막층(115)이 진동하여 제1전극층(118)과 제2전극층(123) 사이의 정전력이 변할 수 있다. 초음파 변환기 모듈이 이 변화된 정전력을 감지하여 외부로부터의 음향 신호를 검출할 수 있다.
다음, 예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 6을 참조하면, 제1기판(205) 상에 제1절연층(207)을 증착하고, 제1절연층(207) 상에 박막층(215)을 증착할 수 있다. 상기 제1기판(205)과 박막층(215)은 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1기판(205), 제1절연층(207) 및 박막층(215)을 포함하는 웨이퍼(202)를 준비할 수 있다. 예를 들어, 제1기판(205), 제1절연층(207) 및 박막층(215)은 제1 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(202)로 구성될 수 있다.
상기 박막층(215) 상에 제2절연층(214)이 증착될 수 있다. 상기 제2절연층(214)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2절연층(214)을 식각하여 캐비티(217)를 형성할 수 있다. 제2절연층(214)을 식각하여 박막층(215)이 노출되도록 할 수 있다. 이 때, 제2절연층(214)을 식각하고 남은 부분이 상기 박막층(215)을 지지하는 지지부(213)가 될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 제2기판(EW)을 준비할 수 있다. 상기 제2기판(EW)은 전도성 재질을 포함할 수 있다. 제2기판(EW)은 예를 들어 저저항 실리콘 기판일 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 도전성 재질로 형성될 수 있다. 상기 제2절연층(214)과 제2기판(EW)은 예를 들어, 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 결합될 수 있다. 하지만, 본딩 방법이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 식각된 제2절연층(214) 상에 제2기판(EW)이 결합될 수 있다. 도 9를 참조하면, 상기 제2기판(EW)을 연마하여 두께를 작게 줄일 수 있다. 하지만, 제2기판(EW)을 식각하여 관통홀을 형성하는 것이 가능하다면 제2기판을 연마하는 공정은 생략될 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 제2기판(EW)을 관통하도록 식각하여 스페이스(216)를 형성할 수 있다. 상기 스페이스(216)에 의해 전기적으로 독립되는 복수 개의 제1전극층(218)이 형성될 수 있다. 상기 스페이스(216)에 의해 전기적으로 절연된 영역인 엘리먼트(도 5의 EL 참조)가 구획될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제2전극층(218) 상에 제3절연층(219)을 증착할 수 있다. 상기 제3절연층(219)에 의해 엘리먼트 사이의 절연 특성이 향상될 수 있으며, 엘리먼트 간 크로스토크를 줄일 수 있다. 도 12를 참조하면, 상기 제3절연층(219) 상에 제3기판(211)을 결합할 수 있다. 제3기판(211)은 예를 들어, 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함할 수 있다. 상기 제3기판(211)과 제3절연층(219)을 결합하기 위해 접착층(212)을 이용할 수 있다. 상기 접착층(212)은 예를 들어 금속 또는 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 접착층(212)은 흡음재를 포함할 수 있다. 흡음재는 예를 들어, 다공성 물질을 포함할 수 있다.
상기 제3기판(211)은 상기 접착층(212)에 접하는 부분에 다공성 물질을 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 도 12에 도시된 구조물을 뒤집어 제1기판(205)과 제1절연층(207)을 제거할 수 있다. 상기 제1기판(205)과 제1절연층(207)을 제거하여 박막층(215)이 상부에 위치될 수 있다. 도 14를 참조하면, 상기 박막층(215)과 제2절연층(214)을 식각하여 전극 패드를 형성할 패턴(P)을 형성할 수 있다. 도 14에 도시된 구조물에 도전 물질층을 증착하여, 도 15에 도시된 바와 같이 제1전극 패드(SE)와 제2전극층(GE)을 형성할 수 있다. 제1전극 패드(SE)는 제1전극층(218)에 신호 전압을 인가할 수 있다. 제2전극층(GE)은 공통 접지 전극일 수 있다.
상기 패턴(P)은 여러 가지 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부와 일측부가 오픈된 형태로 형성되거나, 상부만 오픈된 홈 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 제작된 초음파 변환기에 도 1에 도시된 회로 기판(30)이 결합될 수 있다.
한편, 도 16에 도시된 바와 같이, 도 6에 도시된 박막층(215)과 제2절연층(212) 사이에 제4절연층(225)을 더 증착할 수 있다. 상기 제4절연층(225) 상에 제2절연층(212)을 증착하고, 그 이후 공정은 도 6 내지 도 15를 참조하여 설명한 것과 같을 수 있다. 도 17을 참조하면, 상기 제4절연층(225)은 박막층(215)의 캐비티(217)를 향한 면에 구비될 수 있다.
상기 제4절연층(225)은 박막층(215)이 제1전극층(218)과 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 캐비티(217)의 간격이 작아 박막층(215)이 진동시 제1전극층(218)과 접촉될 수 있고, 이때 상기 제4절연층(225)이 박막층(215)과 제1전극층(218)이 전기적으로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 제1전극층 상에 절연층을 형성할 수 있어, 엘리먼트 사이의 절연 특성을 향상할 수 있다. 그리고, 인체에 접촉하는 쪽에 있는 전극층을 공통 접지 전극으로 구비하여 환자에 대해 보다 안정적으로 초음파 변환기를 사용할 수 있도록 한다.
예시적인 실시예에 따른 초음파 변환기 모듈, 초음파 변환기 및 그 제조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
EL...엘리먼트, CELL...셀
10,110...초음파 변환기, 30,130...회로 기판
11,111,211...기판, 15,115,215...박막층
32...몸체, 35...개구부
20,120,40,140...전극 패드
112,212..접착층, 116,216...스페이스
113,213...지지부, 118,218...제1전극층
117,217...캐비티, 115,215...박막층
119,219...절연층, 123,223...제2 전극층

Claims (27)

  1. 기판과, 상기 기판으로부터 이격된 박막층과, 상기 박막층을 지지하는 지지부와, 상기 기판 상의 제1 전극 패드를 포함하는 초음파 변환기; 및
    몸체와, 상기 몸체에 구비된 것으로 상기 박막층을 수용하는 개구부와, 상기 제1 전극 패드와 결합되는 제2 전극 패드를 포함하는 회로 기판;을 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 패드와 제2 전극 패드가 직접 본딩 방식으로 결합되는 초음파 변환기 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 패드와 제2 전극 패드가 플립칩 본딩 방식 또는 표면 실장 기술에 의해 결합되는 초음파 변환기 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회로 기판은 상기 몸체로부터 연장된 플렉시블 커넥터를 더 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 변환기는 상기 기판과 지지부 사이에 구비된 것으로, 서로 이격되어 배치된 복수 개의 제1전극층을 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극층에 코팅된 절연층을 더 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기판과 제1전극층 사이에 접착층을 더 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 접착층은 금속 또는 폴리머를 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 접착층은 흡음재를 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  10. 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기판이 상기 박막층을 향한 상층부에 다공성 물질을 포함하는 초음파 변환기 모듈.
  12. 기판;
    상기 기판 상의 복수 개의 제1전극층;
    상기 복수 개의 전극층 사이의 스페이스;
    상기 기판과 복수 개의 제1전극층 사이에 구비된 절연층;
    상기 복수 개의 제1전극층 상의 지지부;
    상기 지지부에 의해 지지되는 박막층;
    상기 복수 개의 제1전극층과 박막층 사이의 캐비티; 및
    상기 박막층 상의 제2전극층;을 포함한 초음파 변환기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판과 제1전극층 사이에 접착층을 더 포함하는 초음파 변환기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 접착층은 금속 또는 폴리머를 포함하는 초음파 변환기.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 접착층은 흡음재를 포함하는 초음파 변환기.
  16. 제 12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함하는 초음파 변환기.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 기판이 상기 박막층을 향한 상층부에 다공성 물질을 포함하는 초음파 변환기.
  18. 제 12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2전극층은 공통 접지 전극인 초음파 변환기.
  19. 제 12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막층의 캐비티측 면에 절연층이 더 포함된 초음파 변환기.
  20. 제1기판, 제1절연층, 및 박막층을 포함하는 웨이퍼를 형성하는 단계;
    상기 박막층 상에 제2절연층을 증착하는 단계;
    상기 제2절연층을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;
    상기 제2절연층 상에 제2기판을 결합하는 단계;
    상기 제2기판을 관통하도록 식각하여 전기적으로 독립되는 복수 개의 제1전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1전극층 상에 제3절연층을 증착하는 단계;
    상기 제3절연층 상에 제3기판을 결합하는 단계;
    상기 제1기판과 제1절연층을 제거하는 단계; 및
    상기 박막층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3절연층과 제3기판 사이에 접착층을 구비하는 초음파 변환기 제조 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 접착층은 금속 또는 폴리머를 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 접착층은 흡음재를 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  24. 제 20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판 또는 글라스 기판을 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  25. 제 20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3기판이 상기 박막층을 향한 상층부에 다공성 물질을 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  26. 제 20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2기판을 연마하는 단계를 더 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  27. 제 20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2전극층은 공통 접지 전극인 초음파 변환기 제조 방법.
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