KR101761819B1 - 초음파 변환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

초음파 변환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 초음파 변환기는 기판, 기판 상에 마련된 관통공이 형성된 지지부, 기판과 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막 및 지지부와 박막을 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 복수 개의 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼를 서로 정렬 없이 본딩하여 형성할 수 있다.

Description

초음파 변환기 및 그 제조 방법{Ultrasonic transducer and method of manufacturing the sames}
초음파 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 송신 출력과 수신 감도가 향상된 초음파 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
미세가공 초음파 변환기(micromachined ultrasonic transducer, MUT)(이하, 초음파 변환기)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다. 초음파 변환기는 예를 들어, 의료 영상 진단 기기에 사용되고 있는데, 비침습적(non-invasive)으로 신체의 조직이나 기관의 사진이나 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고, 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) 등을 포함할 수 있다.
초음파 변환기 및 그 제조 방법을 제공한다.
개시된 초음파 변환기는
기판;
상기 기판 상에 마련된 관통공이 형성된 지지부;
상기 기판과 상기 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막; 및
상기 지지부와 상기 박막을 연결하는 연결부;를 포함할 수 있다.
상기 연결부는 상기 박막과 연결되는 제1연결부, 상기 지지부와 연결되는 제2연결부와 상기 제1 및 제2연결부를 연결하며, 탄성 변형되는 변형부를 포함할 수 있다.
상기 지지부는 상기 기판 상에 마련된 제1지지부; 및
상기 제1지지부 상에 마련된 제2지지부;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2지지부는 서로 다른 재료로 형성될 수 있다.
상기 박막과 상기 제2지지부는 서로 같은 재료로 형성될 수 있다.
상기 기판 상에 마련된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다.
상기 박막과 상기 연결부 상에 마련되는 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판, 상기 지지부, 상기 박막 및 상기 연결부에 의해서 하나의 캐비티가 형성될 수 있다.
상기 기판 및 상기 박막 중 적어도 하나는 전도성 재료를 포함할 수 있다.
상기 기판과 상기 박막 사이의 간격(gap)은 상기 제1지지부의 높이에 의해서 정해질 수 있다.
개시된 웨이퍼 본딩 방법은
제1 및 제2웨이퍼를 본딩하는 웨이퍼 본딩 방법에 있어서,
상기 제1웨이퍼 상에 제1패턴을 형성하는 단계; 및
상기 제1패턴 상에 상기 제2웨이퍼를 정렬 없이 본딩하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2웨이퍼 중 어느 한 웨이퍼에 제2패턴을 형성하는 단계; 및
상기 제2패턴 상에 제3웨이퍼를 정렬 없이 본딩하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3웨이퍼는 SOI 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 및 제3웨이퍼는 서로 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding, SDB)에 의해서 본딩될 수 있다.
개시된 초음파 변환기의 제조 방법은
제1소자 웨이퍼, 제1절연층 및 제1핸들 웨이퍼를 포함하는 제1 SOI 웨이퍼의 상기 제1소자 웨이퍼 상에 연결부를 형성하는 단계;
상기 제1소자 웨이퍼를 패터닝하여 상기 연결부 상에 변형부를 형성하는 단계;
제2소자 웨이퍼, 제2절연층 및 제2핸들 웨이퍼를 포함하는 제2 SOI 웨이퍼를 상기 연결부 상에 본딩하는 단계;
상기 연결부 상에 제2소자 웨이퍼를 남겨두고, 상기 제2절연층과 상기 제2핸들 웨이퍼를 제거하는 단계;
상기 제2소자 웨이퍼 상에 제1지지부를 형성하는 단계;
상기 제2소자 웨이퍼를 패터닝하여, 박막과 제2지지부를 형성하는 단계;
상기 제1지지부 상에 웨이퍼를 본딩하는 단계; 및
상기 제1절연층과 상기 제1핸들 웨이퍼를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼 상에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2지지부는 상기 제1지지부 상에 형성될 수 있다.
상기 연결부는 서로 이격되어 마련된 제1 및 제2연결부를 포함하고, 상기 제1 및 제2연결부는 상기 변형부에 의해서 연결될 수 있다.
상기 제1 및 제2 SOI 웨이퍼와 상기 웨이퍼는 서로 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding, SDB)에 의해서 본딩될 수 있다.
상기 제1 및 제2 SOI 웨이퍼와 상기 웨이퍼는 서로 정렬 없이 본딩될 수 있다.
상기 웨이퍼 및 상기 박막 중 적어도 하나는 전도성 재료를 포함할 수 있다.
상기 박막 및 상기 연결부 상에 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연결부는 상기 제1소자 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 제1산화물층을 형성하고, 상기 제1산화물층을 패터닝하여 형성될 수 있다.
상기 제1지지부는 상기 제2소자 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 제2산화물층을 형성하고, 상기 제2산화물층을 패터닝하여 형성될 수 있다.
개시된 초음파 변환기는 박막이 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동하여, 초음파 변환기의 정전력과 부피 변화량이 증가할 수 있다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 송신 출력과 수신 감도가 향상될 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 SOI 웨이퍼와 Si 웨이퍼를 정렬 없이 본딩하여, 초음파 변환기를 제조할 수 있다.
도 1은 개시된 초음파 변환기의 개략적인 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 비교예에 따른 초음파 변환기의 개략적인 단면도이고, 도 2c는 개시된 초음파 변환의 개략적인 단면도이다.
도 3은 개시된 다른 초음파 변환기의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 도 4f는 개시된 초음파 변환기의 제조 방법을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 초음파 변환기 및 그 제조 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기는 설명의 명료성과 편의성을 위해서 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 개시된 초음파 변환기(100)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 개시된 초음파 변환기(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 마련된 지지부(130), 기판(110)과 지지부(130)와 각각 이격되어 마련된 박막(150) 및 지지부(130)와 박막(150)을 연결하는 연결부(140)를 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기(100)는 박막(150) 상에 마련된 전극층(160)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 전극층(160)과 전도성 기판(110)은 커패시터를 형성할 수 있으며, 따라서 개시된 초음파 변환기(100)는 정전용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)일 수 있다.
기판(110)은 통상 사용되는 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘, 유리 등으로 형성될 수 있다. 또한, 기판(110)은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 고농도로 도핑된 실리콘 즉, 저저항을 갖는 실리콘을 포함할 수 있으며, 따라서 하부 전극으로 사용될 수 있다. 한편, 절연층(120)이 기판(110) 상에 더 마련될 수 있다. 절연층(120)은 전극층(160)과 전도성 기판(110)을 절연시켜서, 이들이 서로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연층(120)은 산화물 또는 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
그리고, 관통공(151)이 형성된 지지부(130)가 기판(110) 상에 마련될 수 있다. 지지부(130)는 기판(110) 상에 마련된 제1지지부(131)와 제1지지부(131) 상에 마련된 제2지지부(135)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2지지부(131, 135)는 서로 다른 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1지지부(131)는 산화물 또는 질화물 더 구체적으로, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 제2지지부(135)는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 관통공(151)은 실리콘 산화물로 이루어진 제1지지부(131)를 식각하여 형성될 수 있다.
박막(150)은 기판(110) 및 지지부(130)와 각각 이격되어 마련될 수 있다. 즉, 박막(150)은 지지부(130)에 형성된 상기 관통공(151) 내에 또는 그에 대응하는 영역 상에 기판(110)과 이격되어 마련될 수 있다. 박막(150)과 제2지지부(135)는 하나의 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼에 포함된 소자 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 따라서 서로 같은 재료로 이루어질 수 있다. 박막(150)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있다. 박막(150)의 평면 형상은 원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 지지부(130)에 형성된 관통공(151)은 기판(110), 지지부(130), 연결부(140) 및 박막(150)에 의해서 밀폐됨으로써 하나의 캐비티(155)를 형성할 수 있다. 그리고, 이 캐비티(155)의 내부는 진공 상태일 수 있다. 기판(110)과 박막(150) 사이의 간격(gap)은 제1지지부(131)의 높이에 의해서 정해질 수 있다. 제1지지부(131)는 예를 들어, 실리콘 산화(oxidation) 공정과 식각 공정에 의해서 형성되므로, 기판(110)과 박막(150) 사이의 간격은 균일할 수 있다.
연결부(140)는 지지부(130)와 박막(150)을 연결시킬 수 있다. 연결부(140)는 예를 들어, 튜브를 수평 방향에서 반으로 잘라놓은 형상일 수 있으며, 그 단면은 브릿지(bridge) 형태일 수 있다. 연결부(140)는 제1 및 제2연결부(141, 143)와 이들을 연결해 주는 변형부(145)를 포함할 수 있다. 제1연결부(141)는 박막(150) 상에 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1연결부(141)는 원형 박막(150)의 상면과 연결되며, 박막(150)의 가장자리 상에 링(ring) 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제2연결부(143)는 지지부(130) 상에 마련될 수 있으며, 더 구체적으로 제2지지부(135)의 상에 마련될 수 있다. 구체적으로, 제2연결부(143)는 제2지지부(135)의 상면과 연결되며, 제2지지부(135)의 가장자리 상에 링(ring) 형태로 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2연결부(141, 143) 사이의 거리는 박막(150)과 제2지지부(135) 사이의 거리보다 크거나 같을 수 있다. 한편, 제1 및 제2연결부(141, 143)는 서로 같은 재료로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2연결부(141, 143)는 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 더 구체적으로 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
변형부(145)는 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에 마련되어, 제1 및 제2연결부(141, 143)를 연결시킬 수 있다. 또한, 변형부(145)는 기판(110) 또는 박막(150)과 평행하게 마련될 수 있다. 변형부(145)는 탄성 재료로 형성되거나, 얇은 두께를 갖도록 형성되어 탄성 변형될 수 있다. 박막(150)은 변형부(145)의 탄성 변형에 의해서, 기판(110)에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다. 즉, 박막(150)은 피스톤과 같이 기판(110)에 대해서 상하로 움직일 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(100)는 전도성 기판(110) 및 전극층(160) 사이의 평균 정전력(electrostatic force)과 박막(150)의 진동에 의한 캐비티(155)의 부피 변화량이 증가할 수 있다. 상기와 같은, 평균 정전력과 부피 변화량의 증가는 결국 초음파 변환기(100)의 송신 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있다.
전극층(160)이 연결부(140)와 박막(150) 상에 더 마련될 수 있다. 또한, 전극층(160)은 지지부(130) 상에도 형성될 수 있다. 전극층(160)은 예를 들어, 예를 들어, Cu, Al, Au, Ag, Cr, Mo, Ti, Pt 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 전극층(160)은 기판(110)과 지지부(130)에 형성된 비아 등을 통해서 외부 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 개시된 초음파 변환기(100)의 기판(110), 제2지지부(135), 박막(150) 또는 변형부(145)는 단결정 실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(100) 내의 잔류 응력(residual stress)이 감소할 수 있다.
다음으로, 개시된 초음파 변환기(100)의 동작 원리에 대해서 설명한다. 먼저, 초음파 변환기(100)의 초음파 송신 원리는 다음과 같다. 하부 전극인 기판(110)과 상부 전극인 전극층(160)에 DC 전압(미도시)이 인가되면, 박막(150)은 기판(110)과 전극층(160) 사이의 정전력과 박막(150)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 기판(110)과 전극층(160)에 DC 전압(미도시)이 인가된 상태에서, 제1기판(110)과 전극층(160)에 AC 전압을 인가하면 기판(110)과 전극층(160) 사이의 정전력 변화에 의해서 박막(150)이 진동할 수 있다. 그리고, 이 진동에 의해서 박막(150)으로부터 초음파가 송신될 수 있다. 개시된 초음파 변환기(100)의 박막(150)은 박막(150) 자체가 변형되면서 진동하는 것이 아니라, 변형부(145)의 변형에 의해서 진동할 수 있다. 박막(150)의 가장자리가 지지부(130)에 직접 고정되지 않으므로, 박막(150)의 자유도가 증가할 수 있다. 따라서, 박막(150)은 활처럼 휘지않고, 기판(110)과 평행하게, 기판(110)에 대해서 수직한 방향으로 움직일 수 있다. 즉, 박막(150)은 기판(110)에 대해서 피스톤과 같이 상하로 움직일 수 있으며, 따라서 초음파 변환기(100)에 구비된 캐비티(155)의 부피 변화량이 증가할 수 있다.
개시된 초음파 변환기(100)는 박막(150)이 진동할 때, 박막(150)의 중심 부분과 기판(110) 사이의 제1간격 및 박막(150)의 가장자리 부분과 기판(110) 사이의 제2간격은 서로 같거나 비슷할 수 있다. 따라서, 전도성 기판(110)과 전극층(160) 사이에서 그 중심 부분에서의 정전력은 그 가장 자리 부분에서의 정전력과 서로 같거나 비슷할 수 있다. 즉, 전도성 기판(110)과 전극층(160) 사이에는 그 위치에 상관없이, 균일한 정전력이 분포될 수 있다. 따라서, 전도성 기판(110)과 전극층(160) 사이의 평균 정전력이 증가할 수 있다. 이렇게 초음파 변환기(100)의 부피 변화량과 평균 정전력이 증가하여, 초음파 변환기(100)의 송신 출력이 증대될 수 있다.
그리고, 초음파 변환기(100)의 초음파 수신 원리는 다음과 같다. 초음파 송신 때와 마찬가지로, 전도성 기판(110)과 전극층(160)에 DC 전압(미도시)이 인가되면, 박막(150)은 기판(110)과 전극층(160) 사이의 정전력과 박막(150)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 기판(110)과 전극층(160)에 DC 전압(미도시)이 인가된 상태에서, 외부로부터 물리적 신호, 예를 들어, 초음파가 박막(150)에 인가되면, 기판(110)과 전극층(160) 사이의 정전력이 변할 수 있다. 이 변화된 정전력을 감지하여 외부로부터의 초음파를 수신할 수 있다. 송신 때와 마찬가지로, 개시된 초음파 변환기(100)의 박막(150)은 기판(110)과 평행하게, 기판(110)에 대해서 수직한 방향으로 움직일 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(100)의 캐비티(155)의 부피 변화량과 기판(110)과 전극층(160) 사이의 평균 정전력이 증가하여, 이들을 감지할 수 있는 초음파 변환기(100)의 수신 감도가 증대될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 비교예에 따른 초음파 변환기(1, 5)의 개략적인 단면도이고, 도 2c는 개시된 초음파 변환기(100)의 개략적인 단면도이다. 여기에서, 각 박막(50, 150))의 두께는 동일하며, 트렌치(trench)(55)가 형성된 부분의 박막 두께는 다른 부분의 박막(50) 두께의 1/2이다. 또한, 연결부(140)의 두께도 박막(150) 두께의 1/2이다.
도 2a를 참조하면, 비교예에 따른 초음파 변환기(1)는 박막(50)의 가장자리가 지지부(30)에 고정되어, 구속된(clamped) 형태이다. 도 2b를 참조하면, 비교예에 따른 초음파 변환기(5)는 박막(50)의 가장자리가 지지부(40)에 고정되어, 구속된(clamped) 형태이나, 박막(50)의 가장자리에 트렌치(55)가 형성된다. 트렌치(55)는 초음파 변환기(5)의 박막(50)의 구속 조건을 완화시켜 줄 수 있다. 시뮬레이션(simulation) 결과, 도 2b의 초음파 변환기(5)의 부피 변화량이 도 2a의 초음파 변환기(1)의 부피 변화량보다 증가했다. 또한, 도 2b의 초음파 변환기(5)의 평균 정전력도 도 2a의 초음파 변환기(1)의 평균 정전력보다 증가했다.
도 2c를 참조하면, 개시된 초음파 변환기(100)는 박막(150)이 지지부(130)에 직접 고정되지 않고, 연결부(140)를 통해서 지지부(130)에 고정될 수 있다. 따라서, 비교예의 초음파 변환기(1, 5)보다 박막(150)의 구속 조건이 더 완화될 수 있으며, 기판(110)에 대해서 피스톤과 같이 상하로 움직일 수 있다. 시뮬레이션 결과, 개시된 초음파 변환기(100)는 비교예의 초음파 변환기(1, 5)보다 부피 변화량과 평균 정전력이 더욱 증가했다. 따라서, 개시된 초음파 변환기(100)는 비교예의 초음파 변환기(1, 5)보다 송신 출력 및 수신 감도가 향상될 수 있다.
도 3은 개시된 다른 초음파 변환기(200)의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 개시된 초음파 변환기(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 마련된 지지부(230), 기판(210)과 지지부(230)와 각각 이격되어 마련된 전도성 박막(250) 및 지지부(230)와 박막(250)을 연결하는 연결부(240)를 포함할 수 있다. 또한, 개시된 초음파 변환기(200)는 기판 상에 마련된 하부 전극층(270)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 하부 전극층(270)과 전도성 박막(250)은 커패시터를 형성할 수 있으며, 따라서 개시된 초음파 변환기(200)는 정전용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)일 수 있다.
기판(210)은 통상 사용되는 재료로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘, 유리 등으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(210)은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(210)은 고농도로 도핑된 실리콘 즉, 저저항을 갖는 실리콘을 포함할 수 있으며, 따라서 하부 전극으로 사용될 수 있다. 다만, 기판(210)이 전도성 기판이 아닌 경우에, 하부 전극층(270)이 기판(210) 상에 더 마련될 수 있다. 하부 전극층(270)은 예를 들어, 예를 들어, Cu, Al, Au, Ag, Cr, Mo, Ti, Pt 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 절연층(220)이 하부 전극층(270) 상에 더 마련될 수 있다. 절연층(220)은 하부 전극층(270)과 전도성 박막(250)을 절연시켜서, 이들이 서로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연층(220)은 산화물 또는 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물, 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다.
그리고, 관통공(251)이 형성된 지지부(230)가 기판(210) 상에 마련될 수 있다. 지지부(230)는 기판(210) 상에 마련된 제1지지부(231)와 제1지지부(231) 상에 마련된 제2지지부(235)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2지지부(231, 235)는 서로 다른 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1지지부(231)는 산화물 또는 질화물 더 구체적으로, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있으며, 제2지지부(235)는 실리콘으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 관통공(251)은 실리콘 산화물로 이루어진 제1지지부(231)를 식각하여 형성될 수 있다.
박막(250)은 기판(210) 및 지지부(230)와 각각 이격되어 마련될 수 있다. 즉, 박막(250)은 지지부(230)에 형성된 상기 관통공(251) 내에 또는 그에 대응하는 영역 상에 기판(210)과 이격되어 마련될 수 있다. 박막(250)과 제2지지부(235)는 하나의 SOI 웨이퍼에 포함된 소자 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 따라서 서로 같은 재료로 이루어질 수 있다. 박막(250)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 박막(250)은 고농도로 도핑된 실리콘 즉, 저저항을 갖는 실리콘을 포함할 수 있으며, 따라서 상부 전극으로 사용될 수 있다. 박막(250)의 평면 형상은 원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 지지부(230)에 형성된 관통공(251)은 기판(210), 지지부(230), 연결부(240) 및 박막(250)에 의해서 밀폐됨으로써 하나의 캐비티(255)를 형성할 수 있다. 그리고, 이 캐비티(255)의 내부는 진공 상태일 수 있다. 기판(210)과 박막(250) 사이의 간격(gap)은 제1지지부(231)의 높이에 의해서 정해질 수 있다. 제1지지부(231)는 실리콘 산화 공정과 식각 공정에 의해서 형성되므로, 기판(210)과 박막(250) 사이의 간격은 균일할 수 있다. 한편, 급전선(feeder)(280)이 연결부(240) 상에 마련될 수 있으며, 박막(250)과 연결될 수 있다. 급전선(280)은 전도성 박막(250)에 전기적 신호를 입력하거나, 하부 전극층(270)과 전도성 박막(250) 사이의 전기적 신호의 변화를 외부로 전달할 수 있다. 급전선(280)은 예를 들어, Cu, Al, Au, Ag, Cr, Mo, Ti, Pt 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다.
연결부(240)는 지지부(230)와 박막(250)을 연결시킬 수 있다. 연결부(240)는 예를 들어, 튜브를 수평 방향에서 반으로 잘라놓은 형상일 수 있으며, 그 단면은 브릿지(bridge) 형태일 수 있다. 연결부(240)는 제1 및 제2연결부(241, 243)와 이들을 연결해 주는 변형부(245)를 포함할 수 있다. 제1연결부(241)는 박막(250) 상에 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1연결부(241)는 원형 박막(250)의 상면과 연결되며, 박막(250)의 가장자리 상에 링(ring) 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제2연결부(243)는 지지부(230) 상에 마련될 수 있으며, 더 구체적으로 제2지지부(235)의 상에 마련될 수 있다. b또한, 제1 및 제2연결부(241, 243) 사이의 거리는 박막(250)과 제2지지부(235) 사이의 거리보다 크거나 같을 수 있다. 한편, 제1 및 제2연결부(241, 243)는 서로 같은 재료로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2연결부(241, 243)는 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 더 구체적으로 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
변형부(245)는 제1 및 제2연결부(241, 243)의 일부 상에 마련되어, 제1 및 제2연결부(241, 243)를 연결시킬 수 있다. 또한, 변형부(245)는 기판(210) 또는 박막(250)과 평행하게 마련될 수 있다. 변형부(245)는 탄성 재료로 형성되거나, 얇은 두께를 갖도록 형성되어 탄성 변형될 수 있다. 박막(250)은 변형부(245)의 탄성 변형에 의해서, 기판(210)에 대해서 수직한 방향으로 진동할 수 있다. 즉, 박막(250)은 피스톤과 같이 기판(210)에 대해서 상하로 움직일 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(200)는 하부 전극층(270) 및 전도성 박막(250) 사이의 평균 정전력(electrostatic force)과 박막(250)의 진동에 의한 캐비티(255)의 부피 변화량이 증가할 수 있다. 상기와 같이, 평균 정전력과 부피 변화량의 증가는 결국 초음파 변환기(200)의 송신 출력과 수신 감도를 향상시킬 수 있다. 한편, 개시된 초음파 변환기(200)의 동작 원리는 앞서 설명된 바를 참조한다. 다만, 개시된 초음파 변환기(200)의 경우, 하부 전극인 하부 전극층(270)과 상부 전극인 박막(250) 사이에 DC 전압(미도시) 또는 AC 전압이 인가될 수 있다.
또한, 개시된 초음파 변환기(200)의 기판(210), 제2지지부(235), 박막(250) 또는 변형부(245)는 단결정 실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(200) 내의 잔류 응력(residual stress)이 감소할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f는 개시된 초음파 변환기(100)의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면, 제1 SOI 웨이퍼(170) 상에 연결부를 형성할 수 있다. 상기 제1 SOI 웨이퍼(170)는 순차로 적층된 제1핸들 웨이퍼(175), 제1절연층(173) 및 제1소자 웨이퍼(171)를 포함할 수 있다. 상기 제1핸들 웨이퍼(175)와 상기 제1소자 웨이퍼(171)는 예를 들어, 실리콘 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1절연층(173)은 실리콘 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 상기 연결부는 상기 제1소자 웨이퍼(171) 상에 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1소자 웨이퍼(171)의 표면을 산화시켜서, 상기 제1소자 웨이퍼(171) 상에 제1산화물층을 형성할 수 있다. 그리고, 상기 제1산화물층을 패터닝하여 상기 연결부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1소자 웨이퍼(171)가 실리콘으로 이루어지는 경우, 상기 제1산화물층은 실리콘 산화물층일 수 있다. 상기 연결부는 제1 및 제2연결부(141, 143)를 포함할 수 있으며, 제1연결부(141)는 박막(도 4d의 150)과 연결되며, 제2연결부(143)는 지지부(도 4d의 130)와 연결될 수 있다. 제2연결부(143)가 상기 제1소자 웨이퍼(171)의 가장 자리에 형성되고, 제1연결부(141)는 제2연결부(143) 안쪽에 형성될 수 있다. 제1 및 제2연결부(141, 143)는 평면도에서 봤을 때, 동심원 형태로 마련될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 제1소자 웨이퍼(도 4a의 171)을 패터닝하여, 변형부(145)를 형성할 수 있다. 변형부(145)는 제1연결부(141) 사이를 식각하여 형성될 수 있다. 상기 변형부(145)는 제1 및 제2연결부(141, 143) 아래에 형성되며, 제1 및 제2연결부(141, 143)를 서로 연결할 수 있다. 변형부(145)는 탄성 재료로 형성거나, 그 얇은 두께에 의해서 탄성 변형될 수 있다. 예를 들어, 변형부(145)는 실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 연결부(140)는 변형부(145)와 제1 및 제2연결부(141, 143)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에 제2 SOI 웨이퍼(180)를 본딩할 수 있다. 상기 제2 SOI 웨이퍼(180)는 순차로 적층된 제2핸들 웨이퍼(185), 제2절연층(183) 및 제2소자 웨이퍼(181)를 포함할 수 있다. 상기 제2핸들 웨이퍼(185)와 상기 제2소자 웨이퍼(181)는 예를 들어, 실리콘 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2절연층(183)은 실리콘 산화물 등으로 이루어질 수 있다. 상기 제2소자 웨이퍼(181)는 상기 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에 예를 들어, 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding, SDB)에 의해서 본딩될 수 있다. 또한, 상기 제2 SOI 웨이퍼(180)에는 패터닝된 부분이 없기 때문에, 제2 SOI 웨이퍼(180)는 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에 정렬 없이 본딩될 수 있다. 즉, 개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 패터닝된 제1 SOI 웨이퍼(170)와 패터닝되지 않은 제2 SOI 웨이퍼(180)를 정렬 없이 본딩할 수 있다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 웨이퍼간의 정렬 오차를 없애거나, 최소화할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 상기 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에 제2소자 웨이퍼(181)를 남겨두고, 제2절연층(183) 및 제2핸들 웨이퍼(185)를 제거할 수 있다. 제2절연층(183)과 제2핸들 웨이퍼(185)는 예를 들어, 식각 공정이나 연마 공정으로 제거될 수 있다. 제1 및 제2연결부(141, 143) 상에는 박막(도 4d의 150)과 제2지지부(도 4d의 135)가 될 제2소자 웨이퍼(181)가 남겨질 수 있다.
도 4d를 참조하면, 상기 제2소자 웨이퍼(도 4c의 181) 상의 가장자리에 제1지지부(131)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2소자 웨이퍼(181)의 표면을 산화시켜서, 제2소자 웨이퍼(181) 상에 제2산화물층을 형성할 수 있다. 그리고, 상기 제2산화물층을 패터닝하여 제1지지부(131)를 형성할 수 있다. 관통공(151)이 제1지지부(131)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2소자 웨이퍼(181)가 실리콘으로 이루어지는 경우, 상기 제2산화물층은 실리콘 산화물층일 수 있다.
다음으로, 제2소자 웨이퍼(181)를 패터닝하여, 박막(150)과 제2지지부(135)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2연결부(141, 143)에 대응하는 영역 사이의 제2소자 웨이퍼(181)의 일부를 식각 공정으로 제거할 수 있다. 따라서, 제1연결부(141)는 박막(150)과 연결되어 이를 지지할 수 있고, 제2연결부(143)는 제2지지부(135)와 연결될 수 있다. 제1 및 제2지지부(131, 135)는 지지부(130)를 형성할 수 있다. 박막(150)과 제2지지부(135)는 제2소자 웨이퍼(181)로 이루어지므로, 서로 같은 재료로 형성될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 상기 제1지지부(131) 상에 기판 또는 웨이퍼(110)를 본딩할 수 있다. 웨이퍼(110)는 실리콘 등으로 이루어질 수 있으며, 또한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼(110)은 고농도로 도핑된 실리콘 즉, 저저항을 갖는 실리콘을 포함할 수 있으며, 따라서 전극으로 사용될 수 있다. 제1지지부(131)와 웨이퍼(110)는 예를 들어, 서로 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding, SDB)에 의해서 본딩될 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼(110)에는 패터닝된 부분이 없기 때문에, 웨이퍼(110)는 제1지지부(131) 상에 정렬 없이 본딩될 수 있다. 즉, 개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 패터닝된 제1 SOI 웨이퍼(170)와 패터닝되지 않은 웨이퍼(110)를 정렬 없이 본딩할 수 있다. 따라서, 개시된 초음파 변환기의 제조 방법은 웨이퍼간의 정렬 오차를 없애거나, 최소화할 수 있다.
또한, 절연층(120)이 상기 웨이퍼(110) 상에 더 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(120)은 상기 웨이퍼(110)의 표면을 산화시켜서 형성될 수 있다. 상기 제1지지부(131)에 형성된 관통공(151)은 웨이퍼(110), 지지부(130), 연결부(140) 및 박막(150)에 의해서 밀폐됨으로써 하나의 캐비티(155)를 형성할 수 있다. 그리고, 이 캐비티(155)의 내부는 진공 상태일 수 있다. 한편, 웨이퍼(110)가 전도성 재료를 포함하지 않는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(110) 상에 하부 전극층(270)을 더 형성할 수 있다.
그리고, 제1 SOI 웨이퍼(170) 중에서 제1절연층(173)과 핸들 웨이퍼(175)를 제거할 수 있다. 제1절연층(173)과 제1핸들 웨이퍼(175)는 예를 들어, 식각 공정이나 연마 공정으로 제거될 수 있다.
도 4f는 도 4e에 도시된 초음파 변환기를 상하를 반전시켜서 도시하였다. 도 4f를 참조하면, 연결부(140)와 박막(150) 상에 전극층(160)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전극층(160)은 연결부(140)와 박막(150) 상에 전도성 재료를 증착하여 형성될 수 있다. 또한, 전극층(160)은 예를 들어, 예를 들어, Cu, Al, Au, Ag, Cr, Mo, Ti, Pt 또는 이들의 합금 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 개시된 초음파 변환기(100)의 기판(110), 제2지지부(135), 박막(150) 또는 변형부(145)는 단결정 실리콘 등으로 이루어질 수 있다. 따라서, 초음파 변환기(100) 내의 잔류 응력(residual stress)이 감소할 수 있다.
이러한 본 발명인 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.
100, 200: 초음파 변환기 110, 210: 기판
120, 220: 절연층 130, 230: 지지부
140, 240: 연결부 150, 250: 박막
160: 전극층 270: 하부 전극층

Claims (25)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 마련된 관통공이 형성된 지지부;
    상기 기판과 상기 지지부와 각각 이격되어 마련된 박막; 및
    상기 지지부와 상기 박막을 연결하는 연결부;를 포함하고,
    상기 지지부는 상기 연결부 아래로 확장되어 상기 지지부의 가장자리 영역은 상기 지지부와 상기 연결부의 접촉점 아래에 배치되는 초음파 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 박막과 연결되는 제1연결부, 상기 지지부와 연결되는 제2연결부와 상기 제1 및 제2연결부를 연결하며, 탄성 변형되는 변형부를 포함하는 초음파 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 기판 상에 마련된 제1지지부; 및
    상기 제1지지부 상에 마련된 제2지지부;를 포함하는 초음파 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2지지부는 서로 다른 재료로 형성된 초음파 변환기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 박막과 상기 제2지지부는 서로 같은 재료로 형성된 초음파 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상에 마련된 절연층을 더 포함하는 초음파 변환기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 박막은 상기 변형부의 변형에 의해서, 상기 기판에 대해서 수직한 방향으로 진동하는 초음파 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막과 상기 연결부 상에 마련되는 전극층을 더 포함하는 초음파 변환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    하나의 캐비티가 상기 기판, 상기 지지부, 상기 박막 및 상기 연결부에 의해서 형성되는 초음파 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 및 상기 박막 중 적어도 하나는 전도성 재료를 포함하는 초음파 변환기.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 박막 사이의 간격(gap)은 상기 제1지지부의 높이에 의해서 정해지는 초음파 변환기.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1소자 웨이퍼, 제1절연층 및 제1핸들 웨이퍼를 포함하는 제1 SOI 웨이퍼의 상기 제1소자 웨이퍼 상에 연결부를 형성하는 단계;
    상기 제1소자 웨이퍼를 패터닝하여 상기 연결부 상에 변형부를 형성하는 단계;
    제2소자 웨이퍼, 제2절연층 및 제2핸들 웨이퍼를 포함하는 제2 SOI 웨이퍼를 상기 연결부 상에 본딩하는 단계;
    상기 연결부 상에 제2소자 웨이퍼를 남겨두고, 상기 제2절연층과 상기 제2핸들 웨이퍼를 제거하는 단계;
    상기 제2소자 웨이퍼 상에 제1지지부를 형성하는 단계;
    상기 제2소자 웨이퍼를 패터닝하여, 박막과 제2지지부를 형성하는 단계;
    상기 제1지지부 상에 웨이퍼를 본딩하는 단계; 및
    상기 제1절연층과 상기 제1핸들 웨이퍼를 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 지지부는 상기 연결부 아래로 확장되어 상기 제2 지지부의 가장자리 영역은 상기 제2 지지부와 상기 연결부의 접촉점 아래에 배치되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 상에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 변환기의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2지지부는 상기 제1지지부 상에 형성되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 연결부는 서로 이격되어 마련된 제1 및 제2연결부를 포함하고, 상기 제1 및 제2연결부는 상기 변형부에 의해서 연결되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 SOI 웨이퍼와 상기 웨이퍼는 서로 실리콘 직접 본딩(silicon direct bonding, SDB)에 의해서 본딩되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 SOI 웨이퍼와 상기 웨이퍼는 서로 정렬 없이 본딩되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 및 상기 박막 중 적어도 하나는 전도성 재료를 포함하는 초음파 변환기의 제조 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 박막 및 상기 연결부 상에 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 초음파 변환기의 제조 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제1소자 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 제1산화물층을 형성하고, 상기 제1산화물층을 패터닝하여 형성되는 초음파 변환기의 제조 방법.
  25. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1지지부는 상기 제2소자 웨이퍼의 표면을 산화시켜서 제2산화물층을 형성하고, 상기 제2산화물층을 패터닝하여 형성되는 초음파 변환기의 제조 방법.
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