KR100369861B1 - 반도체 박막형 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 빔 발생과 그 에코의 수신을 행하는 산업용 초음파 트랜스듀서 및 초음파 두께 측정 계측기의 제조방법에 관한 것으로, 강재류나 프라스틱등의 제품을 파괴하지 않고 정밀하면서 빠르게 감지 측정해 내는 두께측정기에 관한 것으로, 초음파 트랜스듀서는 음향 정합층인 폴리스트롤 위에 신호 검출용 전극을 반도체 장비를 이용해 증착하고, 그 위에 압전성을 갖는 압전박막을 증착한 후 다시 그 위에 전극을 증착하여 이루어지며, 압전세라믹 대신 반도체 박막 공정을 이용하여 초음파 트랜스듀서를 제작함으로써 기존 초음파 트랜스듀서에서 발생하는 접합층의 임피던스 미스 메칭 문제가 해결되며, 대량생산이 가능하고, 압전세라믹의 두께를 서브 마이크론 단위까지 자유롭게 조절할 수 있는 초음파 트랜스 듀서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

반도체 박막형 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법{Supersonic waves transducer for semiconductor thin film type and manufacture method therof}

본 발명은 반도체 박막형 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것으로 초음파 트랜스듀서제작에 사용되는 모든 음향정합층 소재위에 알루미늄(Al), 은(g) 또는 백금(Pt)등와 같은 전극을 증착하고, 그 위에 압전체를 형성하고, 그 위에 다시 전극을 증착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

초음파 두께 측정기는 초음파를 검사대상물에 쏘고, 검사대상물 속에서 초음파가 전파되었다가 되돌아 나오는 시간을 두께로 환산는 원리로 구동되며, 여기서초음파를 검사대상물에 쏘기 위해서는 초음파 트랜스듀서가 필요하다. 초음파 트랜스듀서는 검사대상물의 두께나 재질에 따라 특정한 초음파 주파수를 송/수신 해야하는데, 이는 압전체의 두께를 조절하여 가능하다. 압전체가 두꺼울수록 낮은 주파수가 되고, 얇을수록 높은 주파수가 된다.

현재까지 생산되어 나오는 초음파 트랜스듀서는 압전체를 세라믹공정을 이용해 제조하기 때문에 모든 제작공정을 수작업에 의존하고 있다. 기존 초음파 트랜스듀서의 제조공정은 트랜스듀서의 핵심인 압전체를 세라믹공정을 이용해 블레이드방법으로 만든 다음에 다이아몬드 휠등으로 절단한 후 은(Ag)전극을 붓으로 압전체 양면에 도포한다. 이때 은전극의 부착력을 증가시키기 위해 약 600도로 열처리를 해준다. 압전체가 초음파를 송/수신 하기 위해서는 압전체 양단 전극에 전선이 연결되어야 하기 때문에 은전극이 도포된 압전체 양면에 전선을 납땜한 후 압전체 한 면을 음향 정합층인 폴리스트롤 위에 페이스트를 이용해 접합시킨다.

상기한 바와 같은 제조공정은 은 전극의 부착력을 향상시키기 위해 열처리 하는 과정에 압전체의 특성이 바뀌는 문제가 발생되며, 음향 정합층인 폴리스트롤 과 초음파 트랜스듀서에 삽입된 압전체의 한 쪽면은 초음파를 송/수신하는 면이므로 매우 평평하여야 하는데, 기존 방식대로 전선을 붙인 상태로 음향 정합층인 폴리스트롤과 접합하면 전선 굵기만큼 오차를 갖는 문제가 발생된다. 압전소자가 두꺼울 경우엔 송/수신면에 붙은 전선 굵기의 오차가 무시될 수 있어도, 고주파용인 두께 0.5 mm 정도에서는 전선의 굵기를 무시할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같이 종래의 초음파 트랜스듀서가 안고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로 압전 세라믹을 세라믹 제조공정으로 제작하는 대신에 반도체 공정을 이용한 박막으로 사용하여 전극의 부착 및 전선 연결을 용이하게 할 뿐만 아니라 음향 정합층과의 접촉면의 기생 임피던스를 없애어 소형, 경량, 저 가격, 고감도의 특성을 갖는 초음파 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 특징을 갖는다.본 발명은 음향정합층 소재위에 전극을 증착하고, 상기 전극에 압전체 및 압전박막을 형성하며, 그 위에 다시 전극을 증착하는 초음파 트랜스듀서 제조방법에 있어서, 상기 압전체 및 압전박막은 알루미늄(Al), 은(Ag), 인듐(In) 등의 재료 중 어느 하나를 선택하여 고주파 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 증착하는 것을 특징으로 한다.즉, 상기된 트랜스듀서는 밀도가 높은 음향 정합층인 폴리스트롤 위에 신호 검출용 전극을 반도체 장비를 이용해 증착하고, 그 위에 압전성을 갖는 압전세라믹을 증착한 후 다시 그 위에 전극을 증착하여 이루어지며, 후막 대신 반도체 박막 공정을 이용하여 초음파 트랜스듀서를 제작함으로써 기존 접합층의 임피던스 메칭 문제가 해결된다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서를 이용하는 초음파 두께 측정기의 회로 구성을 나타낸 회로 구성 개략도

도 2는 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서의 실시예를 나타낸 측면도

도 3은 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서의 박막화를 나타낸 사시도

본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서를 이용하는 초음파 두께 측정기 및 그 제조 방법의 구성 및 작용에 대하여 본 발명의 실시예를 통해서 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서를 이용하는 초음파 두께 측정기의 회로 구성을 나타낸 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서의 실시예를 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서의 박막화를 나타낸 사시도이다.

도 1은 초음파 두께측정기의 구성을 나타낸 것으로 하나의 클럭소스를 입력하여 칩내의 게이트 딜레이를 이용하여 여러가지 비동기 클럭을 만들고 그 각각의 클럭에 의하여 비동기적으로 동작하는 카운터를 설계함으로서 최고 500MHz의 SMPS를 실현함으로서 초음파 두께 측정기의 정확도를 최고 1천분의 5 미리정도로 향상 시켰다. 또한 ASC는 초음파 진행시간을 최고 2ns 단위로 샘플링 가능하게 회로를 설계 구성하였다. 또한 TTL 신호를 FET와 인덕터를 이용해 고전압으로 변환후 발생된 전압을 고압 캐패시터에 순차적으로 누적시킴으로서 초음파의 발생전압을 150V 에서 300V까지 조정이 가능하다.

도 2와 도 3은 반도체 공정을 이용해 박막화 시킨 초음파 트랜스듀서을 나타낸 것으로 도 2에서 보는 바와 같이 반도체 박막형 초음파 트랜스듀서는 음향 정합층인 폴리스트롤 위에 반도체 공정인 에바폴레이션(Evaporation)방법이나 스퍼터링(Sputtering)방법으로 전극과 압전 박막을 증착한 것으로 제조 공정은 다음과 같다.

1) 음향 정합층인 폴리스트롤을 8인치로 제작한다.

2) 음향 정합층인 폴리스트롤위에 반도체 공정인 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 전극을 증착한다. 여기서 전극재료로는 알루미늄(Al),은(Ag), 인듐(In), 등이 사용된다.

3) 지름이 1 mm에서 3 mm의 구멍이 난 8인치 쉐도우 마스크(SHADOW MASK)를 전극이 증착된 음향 정합층인 폴리스트롤위에 놓은 상태에서 압전 박막을 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한다.

압전 박막을 초음파 트랜스듀서로 사용하기 위해서는 높은 압전성이 요구되는데, 이에 영향을 미치는 요소로는 고주파 전력, 가스의 조성비, 박막 증착시 압력, 기판의 온도 등의 여러 가지 변수가 존재한다.이를 위하여 본 발명에서 이용한 고주파 마그네트론 스퍼터링 장치는 직경이 3∼6인치 타겟(99.999%, 고순도화학)을 사용하였으며, 타겟은 상하로 이동되도록 설계하였다. 또한 진공을 파기하지 않고 여러 박막을 증착하기 위해 기판이 회전되도록 하고, 고진공도를 갖기 위해서 650ℓ/min인 로터리펌프와 1500ℓ/sec의 배기 능력을 갖는 터보펌프로 구성하였다.

4) 압전박막이 층착된 음향 정합층인 폴리스트롤위에 전극을 또 한번 증착한다.

5) 전극에 전선을 연결하기 위해 납땜을 사용하면 가생 임피던스가 큼으로 이를 방지하기위해 두 전극에 인듐(In) 박막을 증착한 후 자동 와이어 본딩방법으로 전선을 연결한다.여기서, 상기된 인듐은 전기 전도율이 매우 좋은 소재이며, 열을 가하면 녹았다가 다시 굳는 성질을 갖고 있는 물질이다. 또한 인듐을 증착하면 압전체 및 압전박막이 수분과 접촉하는 것을 방지 할 수 있다.

6) 상기한 바와 같이 제조된 초음파 트랜스듀서를 알루미늄 케이스와 조립하기 위해서 레이저로 커팅한다. 이때 8인치 음향 정합층인 폴리스트롤 1장단 초음파 트랜스듀서가 약 500개씩 만들어 진다.

7) 한개의 초음파 트랜스듀서 소자를 알루미늄 케이스와 조립한 후 빈 공간에 에폭시 수지를 넣어 봉합하면 도 3과 같은 하나의 반도체 박막형 초음파 트랜스듀서가 제조된다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 반도체 박막형 트랜스듀서를 이용하는 초음파 두께 측정기 및 그 제조 방법은 단결정 압전체 대신에 압전 박막과 전극을 박막으로 증착시켜 제작함으로서 기존 트랜스듀서에서 문제시되던 전극과 압전체 사이의 임피던스를 메칭시킬 필요가 없으며, 반도체 공정을 이용하므로 대량생산이 가능하다. 또한 전극과 압전체를 반도체 공정을 이용해 박막화 시킴으로서 전극을 압전체에 부착시키기위해서 열처를 않해도 되어 압전체의 분극을 손상시키지 않으며, 음향정합층에 바로 전극이 접착될 수 있어 초음파의 전달률을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 소형화가 가능하다.

상기한 바와 같은 반도체 박막형 트랜스듀서는 각 접합층의 기생 임피던스가 없기 대문에 감지특성이 매우 우수하며, 이를 사용하는 두께 측정 계측기의 소형화가 가능한 효과를 제공한다.

Claims (6)

1. 음향정합층 소재위에 전극을 증착하고, 상기 전극에 압전체 및 압전박막을 형성하며, 그 위에 다시 전극을 증착하는 초음파 트랜스듀서 제조방법에 있어서,

   상기 압전체 및 압전박막은 알루미늄(Al), 은(Ag), 인듐(In) 등의 재료 중 어느 하나를 선택하여 고주파 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 증착하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 고주파 마그네트론 스퍼터링은 3~6인치의 타켓이 상, 하로 이동되도록 하고, 기판이 회전되도록 하며, 650의 고진공도를 갖는 로터리펌프와 1500의 배기능력을 갖는 터보펌프에 의해 수행되도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서 제조방법.
6. 제 1 항과 제 5 항에 의해 제조된 초음파 트랜스듀서.