KR102176584B1 - 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 제조방법 - Google Patents

정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 초음파 변환기는 각 엘리먼트를 복수의 제1 부분으로구분하는 제1 트렌치와, 상기 제1 트렌치와 이격되게 형성된 제2 트렌치를 포함하는 디바이스 기판과, 상기 디바이스 기판 상에서 상기 각 엘리먼트에 대응되는 복수의 캐버티를 한정하는 지지대와, 상기 지지대 상에서 상기 복수의 캐버티를 덮는 멤브레인과, 상기 멤브레인 상에서 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 홀을 통해서 상기 제2 트렌치 내의 제2 부분과 전기적으로 연결된 상부전극을 포함한다.

Description

정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 제조방법{Capacitive micromachined ultrasonic transducer and method of fabricating the same}
개시된 실시예는 트렌치에 의해 한정된 복수의 도전성 물질층을 하부전극으로 이용하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
미세가공 초음파 변환기(MUT; Micromachined Ultrasonic Transducer)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다. 이러한 미세가공 초음파 변환기는 그 변환 방식에 따라서, 압전 미세가공 초음파 변환기(PUMT; Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer), 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT; Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), 자기형 미세가공 초음파 변환기(MMUT; Magnetic Micromachined Ultrasonic Transducer) 등으로 구분될 수 있다.
종래의 정전용량 미세가공 초음파 변환기는 저저항 웨이퍼에 형성된 관통 비아를 이용하여 상부전극에 전기를 공급한다. 상기 관통 비아를 형성하는 과정에서 관통 비아 홀의 코너 부분에서 상기 관통 비아를 위한 금속층이 포토레지스트에 의해 완전하게 도포되지 않아 상기 관통 비아가 상기 저저항 웨이퍼와 접촉하여 단락되는 문제가 발생될 수 있다. 또한, 상기 관통 비아를 채운 포토레지스트가 열팽창으로 부풀어 오르는 등 불량이 발생될 수 있다. 또한, 상기 관통 비아 형성을 위한 마스크 공정이 필요하다.
저저항 웨이퍼를 이용하여 관통 비아 없이 상부전극에 전류를 공급하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기를 제공한다.
상기 정전용량 미세가공 초음파 변환기를 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기는:
각 엘리먼트를 복수의 제1 부분으로 구분하는 제1 트렌치와, 상기 제1 트렌치와 이격되게 형성된 제2 트렌치를 포함하는 디바이스 기판;
상기 디바이스 기판 상에서 상기 각 엘리먼트에 대응되는 복수의 캐버티를 한정하는 지지대;
상기 지지대 상에서 상기 복수의 캐버티를 덮는 멤브레인;
상기 멤브레인 상에서 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 홀을 통해서 상기 제2 트렌치 내의 제2 부분과 전기적으로 연결된 상부전극; 및
상기 디바이스 기판의 하부면 상에서 각 엘리먼트의 상기 복수의 제1 부분과 연결되는 제1 비아메탈과, 상기 제2부분에 연결된 제2 비아메탈을 포함하는 TSV 기판;을 포함한다.
상기 제1 트렌치는 격자 형태일 수 있다.
상기 디바이스 기판은 저저항 실리콘으로 이루어질 수 있다.
상기 디바이스 기판은 10㎛ - 50㎛ 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 트렌치와 상기 제2 트렌치는 동일한 제1폭을 가질 수 있다.
상기 제1폭은 1㎛ - 10㎛ 일 수 있다.
상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 채운 절연물을 더 포함할 수 있다.
상기 각 엘리먼트의 상기 복수의 제1 부분과 상기 제1 비아메탈 사이에 형성된 제1 본딩 메탈과, 상기 제2 부분과 상기 제2 비아메탈 사이에 형성된 제2 본딩 메탈을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 본딩 메탈은 상기 각 엘리먼트의 복수의 캐버티 하부에 형성된 상기 복수의 제1부분과 접촉되게 형성될 수 있다.
일 국면에 따르면, 상기 디바이스 기판 및 상기 지지대 사이에 형성되며, 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 홀에 의해 관통되어 상기 제1부분과 상기 상부전극이 접촉되게 하는 절연층을 더 포함한다.
다른 국면에 따르면, 상기 멤브레인 및 상기 지지대 사이에 형성되며, 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 홀에 의해 관통되어 상기 제1부분과 상기 상부전극이 접촉되게 하는 절연층을 더 포함한다.
상기 멤브레인 및 상기 지지대 사이에 형성되며, 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 홀에 의해 관통되어 상기 제1부분과 상기 상부전극이 접촉되게 하는 절연층을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 제조방법은:
디바이스 기판의 상면으로부터 각 엘리먼트 영역에 복수의 제1 부분을 절연시키는 제1 트렌치와, 상기 제1 트렌치와 이격된 제2 트렌치를 형성하는 단계;
상기 디바이스 기판의 상기 상면 또는 소이 기판의 제1 실리콘층 상에 복수의 캐버티를 한정하는 절연층으로 이루어진 지지대를 형성하는 단계;
상기 소이 기판을 상기 디바이스 기판의 상기 상면에 본딩하여 상기 소이 기판 및 상기 디바이스 기판 사이에 상기 복수의 캐버티를 형성하는 단계;
상기 디바이스 기판의 하면을 씨닝하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 노출시키는 단계;
상기 복수의 제1 부분과 연결되는 제1 비아메탈과, 상기 제2 부분에 연결되는 제2 비아메탈을 포함하는 TSV 기판을 상기 디바이스 기판에 본딩하는 단계;
상기 소이 기판의 매립 산화물층과 상기 매립 산화물층 상의 제2 실리콘층을 제거하여 상기 지지대 상으로 상기 제1 실리콘층을 남기는 단계;
상기 제1 실리콘층과 상기 지지대를 관통하는 비아홀을 형성하여 상기 제2 부분을 노출시키는 단계; 및
상기 제1 실리콘층 상으로 상기 비아홀을 통해서 상기 제2 부분과 접촉되는 상부전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 디바이스 기판을 상기 소이 기판에 본딩하는 단계는 상기 디바이스 기판과 상기 소이 기판을 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 본딩하는 단계일 수 있다.
상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 형성하는 단계는 동일한 제1폭을 가지는 제1 트렌치 및 제2 트렌치를 형성하는 단계일 수 있다.
일 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기는 디바이스 기판을 전극 또는 전극 통로로 사용하면서도 복수의 트렌치 사용으로 전기 통로가 수직으로만 형성되어서 상부 전극 및 하부전극 사이의 수평적인 전기적 연결을 차단하기가 용이하다.
또한, 엘리먼트를 한정하는 트렌치가 별도로 없으므로 엘리먼트 사이의 폭이 감소되며, 이는 초음파 변환기의 대역폭을 증가시킬 수 있게 한다.
다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 제조방법은 디바이스 웨이퍼에서 하부전극용 트렌치를 형성시 상부전극을 위한 트렌치를 함께 형성하므로, 공정이 단순화된다. 또한, 종래의 디바이스 기판의 백 비아 공정시 비아 메탈과 엘리먼트의 하부전극과 단락되는 문제가 방지된다.
도 1은 일 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 구조를 개략적으로 보여주는 저면도다.
도 2는 다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 하나의 엘리먼트 영역의 구조를 개략적으로 보여주는 저면도다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도다.
도 4a 내지 도 4i는 다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기(100)의 구조를 개략적으로 보여주는 저면도다.
도 1은 디바이스 기판의 저면도다. 도 1을 참조하면, 정전용량 미세가공 초음파 변환기(100)는 복수의 엘리먼트(E)를 포함한다. 예컨대 초음파 변환기(100)는 16x16 매트릭스로 배열된 엘리먼트(E)를 포함할 수 있으며, 도 1에서는 편의상 4개의 엘리먼트(E)를 도시하였다. 초음파 변환기(100)는 초음파 변환기 칩으로 칭할 수도 있다.
복수의 엘리먼트(E) 에는 절연 트렌치인 제1 트렌치(T1)가 형성되어 있다. 제1 트렌치(T1)는 격자 형태로 형성될 수 있다. 각 엘리먼트(E)는 제1 트렌치(T1)에 의해 복수의 제1 부분(141)이 형성된다. 제1 본딩메탈(M1)이 복수의 제1 부분(141)과 접촉되도록 형성되어 있다.
엘리먼트들(E)의 일측에는 제2 트렌치(T2)가 형성되어 있다. 제2 본딩메탈(M2)은 제2 트렌치(T2)에 둘러싸인 제2부분(도 2의 142)과 연결되도록 형성되어 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 하나의 엘리먼트 영역의 구조를 개략적으로 보여주는 저면도다.
도 2를 참조하면, 엘리먼트(E)에는 복수의 캐버티(C)가 형성되어 있다. 도 2에서는 편의상 4개의 캐버티(C)를 도시하였다. 제1 본딩메탈(M1)은 캐버티들(C) 하부의 제1 부분들(141)과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 도 2에는 제1 본딩메탈(M1)이 사각 형상으로 도시되었으나 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 캐버티들(C) 하부의 제1 부분들(141)과 접촉되게 라운드 형태로 형성될 수 있다. 또한, 각 캐버티(C) 하부에 형성된 복수의 제1부분(141)에서는 제1 트렌치(T1)이 형성되지 않을 수도 있다.
참조번호 145는 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)를 채운 절연물질이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도다.
도 3을 참조하면, 초음파 변환기(100)는 TSV 기판(110)과 TSV 기판(110)에 본딩된 디바이스 기판(140)을 포함할 수 있다. 디바이스 기판(140)은 TSV 기판(110) 상에 본딩될 수 있다. TSV 기판(110) 및 디바이스 기판(140)은 유테틱 본딩(eutectic bonding)으로 결합될 수 있다.
TSV 기판(110)은 실리콘 기판으로 이루어지고 복수의 관통홀(through hole)(112)이 형성된다. 각 초음파 변환기(100)에는 각 엘리먼트(E)에 대응되는 관통홀들(112)과 상부전극용 관통홀(114)이 형성된다. 관통홀들(112, 114) 및 TSV 기판(110)의 표면에는 절연층(111)이 형성된다. 관통홀들(112)에는 제1 비아 메탈(116)이 채워져 있으며, 관통홀(114)에는 제2 비아 메탈(117)이 채워져 있다.
디바이스 기판(140)에는 각 엘리먼트(E) 마다 격자 형태의 제1 트렌치(T1)가 형성되어 있다. 복수의 엘리리먼트(E)가 형성된 영역으로부터 이격되게 상부전극용 제2 트렌치(T2)가 형성되어 있다. 디바이스 기판(140)은 제1 트렌치(T1)에 둘러싸인 복수의 제1 부분(141)과 제2 트렌치(T2)에 둘러싸인 제2부분(142)을 포함한다.
디바이스 기판(140)은 도전성 재질로 형성되며, 그 두께는 수십 ㎛일 수 있다. 디바이스 기판(140)의 두께는 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 디바이스 기판(140)은 불순물이 고농도로 도핑된 저저항 실리콘으로 이루어질 수 있다.
디바이스 기판(140)의 제1 부분(141)과 제2 부분(142)은 도전성 영역이다 디바이스 기판(140)의 제1부분(141)은 하부 전극으로 사용될 수 있다.
제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)에는 절연물질(145)이 채워질 수 있다. 절연물질(145)은 실리콘 옥사이드로 이루어질 수 있다.
디바이스 기판(140)은 그 상면에 형성된 절연층(144)과 캐버티(C)를 형성하는 지지부(154)와 지지부(154) 상에서 캐버티(C)를 덮는 멤브레인(153)을 포함할 수 있다. 멤브레인(153) 상에는 상부전극(160)이 형성될 수 있다. 멤브레인(153)은 실리콘으로 형성될 수 있다. 지지부(154)는 절연체로 형성될 수 있다. 지지부(154)는 예를 들어, 산화물, 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 3에서 절연층(144)은 디바이스 기판(140) 상면에 형성되어 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 절연층(144)은 멤브레인(154) 및 지지대(144) 사이에 형성될 수도 있다.
상부전극(160)은 Au, Cu, Sn, Ag, Al, Pt, Ti, Ni, Cr 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
절연층(144)은 예를 들어, 산화물, 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
도 3에는 하나의 엘리먼트(E)에 하나의 캐버티(C)가 형성된 것을 도시하였으나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예컨대 하나의 엘리먼트(E)에 5x5 어레이 형태의 캐버티(C)가 형성될 수 있다. 제1 본딩메탈(M1)은 복수의 캐버티(C)의 하부에 있는 제1 부분(141)에 접촉되게 형성될 수 있다.
멤브레인(153), 지지부(154) 및 절연층(144)에는 이들을 관통하며 제2 트렌치(T2)에 둘러싸인 디바이스 기판(140)의 제2부분(142)을 노출시키는 비아홀(146)이 형성되어 있다. 상부전극(160)은 비아홀(146)을 통해서 디바이스 기판(140)의 제2 부분(142)과 전기적으로 연결된다.
디바이스 기판(140)의 하부에는 제1 비아 메탈(116)과 연결되게 제1 본딩패드(147a)가 형성되며, 제2 비아 메탈(117)과 연결되게 제2 본딩패드(147b)가 형성된다. 제1 본딩패드(147a) 및 제2 본딩패드(147b)는 유테틱 본딩 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Au-Sn 유테틱 본딩을 위해 Au 및/또는 Sn 물질로 형성될 수 있다.
제1 비아 메탈(116) 상에는 제1 본딩 패드(147a)와 대응되게 제3 본딩 패드(118a)가 형성되며, 제2 비아 메탈(117) 상에는 제2 본딩 패드(147b)와 대응되게 제4 본딩 패드(118b)가 형성된다. 제3 본딩 패드(118a) 및 제4 본딩 패드(118b)는 유테틱 본딩 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Au-Sn 유테틱 본딩을 위해 Au 및/또는 Sn 물질로 형성될 수 있다. 제1 본딩 패드(147a)와 제3 본딩 패드(118a)가 유테틱 본딩이 되어 제1 본딩 메탈(M1)이 형성되며, 제2 본딩 패드(147b)와 제4 본딩 패드(118b)가 유테틱 본딩이 되어 제2 본딩 메탈(M2)이 형성된다.
TSV 기판(110)의 하부에는 제1 비아 메탈(116)과 연결된 제1 전극패드(P1)와 제2 비아 메탈(M2)와 연결된 제2 전극패드(P2)가 형성되어 있다. 제2 전극패드(P2) 에는 그라운드 전압이 인가될 수 있으며, 제1 전극패드(P1)에는 구동 신호전압이 인가될 수 있다.
제1 전극패드(P1)에 인가된 구동 신호전압은 제1 비아 메탈(116), 제1 본딩메탈(M1)을 통해서 하부전극인 제1 부분(141)으로 공급된다.
제2 전극패드(P2)에 인가된 그라운드 전압은 제2 비아 메탈(167), 제2 본딩메탈(M2), 제2 부분(142)을 통해서 상부전극(160)에 공급된다.
본 개시에 따른 초음파 변환기(100)는 디바이스 기판을 전극 또는 전극 통로로 사용하면서도 복수의 트렌치 사용으로 전기 통로가 수직으로만 형성되어서 상부 전극 및 하부전극 사이의 수평적인 전기적 연결을 차단하기가 용이하다.
또한, 엘리먼트를 한정하는 트렌치가 별도로 없으므로 엘리먼트 사이의 폭이 감소되며, 이는 초음파 변환기의 대역폭을 증가시킬 수 있게 한다.
이하에서는 다른 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 4a 내지 도 4i는 다른 실시예에 따른 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 제조방법을 단계별로 설명하는 단면도다. 도 4a 내지 도 4i는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도를 기준으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 3의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용한다.
도 4a를 참조하면, 디바이스 웨이퍼(140a) 상면으로부터 엘리먼트 영역에 제1 트렌치(T1)를 형성하고 엘리먼트 영역으로부터 이격된 영역에 상부전극용 제2 트렌치(T2)를 형성한다. 제1 트렌치(T1)는 각 칩의 복수의 엘리먼트(E)에 도 1에서 보듯이 격자 형태로 형성될 수 있다. 제2 트렌치(T2)는 디바이스 웨이퍼(140a)에서 상부 전극(도 3의 160)에 연결되는 제2 부분(142)을 포위하도록 형성된다.
제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)는 디바이스 웨이퍼(140a)의 표면으로부터 대략 10㎛~50㎛ 깊이로 형성될 수 있다. 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)는 동일한 폭을 가질 수 있다. 제1 트렌치(T1)와 제2 트렌치(T2)는 동일한 폭을 가지므로, 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2) 형성을 동일한 마스크를 사용하여 형성할 수 있다. 종래에는 엘리먼트(E) 구분 트렌치와 상부전극 연결용 비아의 폭이 차이가 나서, 엘리먼트(E) 구분 트렌치와 상부전극용 비아의 에칭 시간이 서로 다르므로, 별도의 에칭 공정으로 상기 엘리먼트(E) 구분 트렌치와 상기 상부전극용 비아를 형성하는 데 비해서, 본 개시에서는 제1 트렌치(T1)와 제2 트렌치(T2)를 동시에 수행할 수 있다.
제1 트렌치(T1)와 제2 트렌치(T2)는 각각 1㎛ - 10㎛ 폭을 가지도록 형성될 수 있다. 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)의 폭이 1㎛ 보다 작은 경우, 단면비가 커서 식각이 어렵다. 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)의 폭이 10㎛ 보다 큰 경우, 초음파 변환기의 주파수 특성이 나빠질 수 있다.
이어서, 디바이스 웨이퍼(140a) 상면 상으로 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)를 덮는 보호층을 형성한다. 보호층은 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)를 채운 절연물질(145)와 디바이스 웨이퍼(140a) 상의 절연층(140b)를 포함한다. 절연물질(145) 및 절연층(140b)은 실리콘 옥사이드로 이루어질 수 있다. 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)가 완전히 실리콘 옥사이드로 완전히 채워지지 않아도 된다. 절연층(140b)은 고르게 형성되지 않을 수 있다.
도 4b를 참조하면, 디바이스 웨이퍼(140a) 상의 절연층(140b)을 제거한다. 예컨대, 화학-기계 폴리싱(chemical-mechanical polishing: CMP) 공정으로 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)가 노출되도록 한다.
이어서, 디바이스 웨이퍼(140a)의 상면 상으로 제1 절연층(144)을 형성한다. 제1 절연층(144)은 디바이스 웨이퍼(140a)를 산화하여 형성할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 제1 웨이퍼(150) 상에 제2 절연층(154)을 형성한 후, 제2 절연층(154)을 패터닝하여 개구부(154a)를 형성한다. 제1 웨이퍼(150)는 소이 (SOI: silicon on insulator) 웨이퍼일 수 있다. 소이 웨이퍼(150)는 순차적으로 적층된 제1 실리콘층(151), 매립 산화물층(152), 제2 실리콘층(153)을 포함할 수 있다. 제2 실리콘층(153)은 도 3의 멤브레인(153)에 대응되는 것으로 대략 2000Å 두께로 형성될 수 있다.
제2 절연층(154)은 실리콘 옥사이드로 이루어질 수 있으며, 제1 웨이퍼(150)를 산화하여 형성할 수 있다. 패터닝된 제2 절연층(154)은 도 1의 지지부(154)에 해당된다. 제2 절연층(154)의 두께에 의해 개구부(154a)의 높이가 정해질 수 있다. 제2 절연층(154)의 두께는 대략 4000 Å일 수 있다.
개구부(154a)가 제2 절연층(154)에 형성하는 대신에, 제1 절연층(144)에 형성할 수도 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
도 4d를 참조하면, 제1 웨이퍼(150)를 제2 절연층(154)과 제1 절연층(144)이 마주보도록 하여 디바이스 웨이퍼(140a)에 본딩한다. 디바이스 웨이퍼(140a)는 저저항 실리콘으로 이루어질 수 있다.
제1 웨이퍼(150)와 디바이스 웨이퍼(140a)를 실리콘 직접 본딩(SDB: Silicon Direct Bonding) 공정을 이용하여 웨이퍼-투-웨이퍼(wafer-to-wafer) 본딩을 할 수 있다. 제1 웨이퍼(150)와 디바이스 웨이퍼(140a)를 본딩함으로써 밀봉된 공간인 캐비티(C)가 형성된다.
디바이스 웨이퍼(140a)를 씨닝하여 대략 10㎛-50㎛ 두께를 가진 디바이스 웨이퍼(140)를 형성한다. 상기 씨닝을 위해 1차적으로 디바이스 웨이퍼(140)를 기계적으로 래핑한 후, 화학-기계 폴리싱(chemical-mechanical polishing: CMP) 공정을 수행할 수 있다. 상기 씨닝으로 디바이스 웨이퍼(140)의 제1 트렌치(T1) 및 제2 트렌치(T2)를 노출되게 한다.
도 4e를 참조하면, 디바이스 웨이퍼(140)의 하부면 상에 금속층을 증착한 후, 상기 금속층을 패터닝하여 제1 본딩패드(147a)와 제2본딩 패드(147b)를 형성한다. 제1 본딩패드(147a)와 제2본딩 패드(147b)는 유테틱 본딩을 위한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, Au-Sn 유테틱 본딩을 위해 Au 및/또는 Sn 으로 형성될 수 있다.
도 4f를 참조하면, TSV 웨이퍼(110)를 준비한다. TSV 웨이퍼(110)에 제1 관통홀(112) 및 제2 관통홀(114)을 형성한다. 제1 관통홀(112) 및 제2 관통홀(114)은 대략 수십 ㎛ 폭으로 형성될 수 있다. 제1 관통홀(112)은 제1 부분(141)에 대응되게 형성하며, 제2 관통홀(114)은 제2 부분(142)에 대응되게 형성한다.
TSV 웨이퍼(110)에 제3 절연층(111)을 형성한다. 제3 절연층(111)은 TSV 웨이퍼(110)를 산화하여 형성할 수 있다. 제3 절연층(111)은 제1 관통홀(112) 및 제2 관통홀(114)의 표면과 TSV 웨이퍼(110)의 상면 및 하면에 형성될 수 있다. 제1 관통홀(112) 및 제2 관통홀(114)을 금속으로 채워서 제1 비아 메탈(116)과 제2 비아 메탈(117)을 형성한다.
TSV 웨이퍼(110) 상에 금속층을 형성한 후, 상기 금속층을 패터닝하여 제3 본딩 패드(118a)와 제4 본딩 패드(118b)를 형성한다. 제3 본딩 패드(118a)는 제1 비아 메탈(116) 상에서, 제1 본딩 패드(147a)와 대응되게 형성되며, 제4 본딩 패드(118b)는 제2 비아 메탈(117) 상에서 제2 본딩 패드(147b)와 대응되게 형성된다.
제3 본딩 패드(118a) 및 제4 본딩 패드(118b)는 유테틱 본딩 금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Au-Sn 유테틱 본딩을 위해 Au 및/또는 Sn 물질로 형성될 수 있다.
도 4g를 참조하면, TSV 웨이퍼(110)와 디바이스 웨이퍼(140a)를 웨이퍼 레벨로 본딩한다. 예를 들어, TSV 웨이퍼(110)와 디바이스 웨이퍼(140a)를 유테틱 본딩(Eutectic bonding)을 한다. 유테틱 본딩은 예를 들어, Au/Sn 본딩에 의해 이루어질 수 있다. 이때, 제1 본딩 패드(147a)와 제3 본딩 패드(118a)가 결합되어 제1 본딩 메탈(M1)이 형성되며, 제2 본딩 패드(147b)와 제4 본딩 패드(118b)가 결합되어 제2 본딩 메탈(M2)이 형성된다.
TSV 웨이퍼(110)의 하부면 상에 제1 비아 메탈(116)과 연결된 제1 전극패드(P1)와 제2 비아 메탈(117)과 연결된 제2 전극패드(P2)를 형성한다.
도 4h를 참조하면, 제1 웨이퍼(150)의 제1 실리콘층(151) 및 매립 산화물층(152)을 순차적으로 제거한다. 1차적으로 기계적 래핑으로 제1 실리콘층(151)을 제거한 다음 남은 수 십 ㎛ 두께의 제1 실리콘층(151)을 건식 식각으로 제거할 수 있다. 매립산화물층(152)은 습식 식각으로 제거할 수 있다.
도 4i를 참조하면, 제2 실리콘층(153), 제1 절연층(154) 및 제2 절연층(144)에 비아홀(146)을 형성하여 제2 부분(142)을 노출시킨다. 제2 실리콘층(153) 상으로 상부전극(160)을 형성한다. 상부전극(160)은 제2 부분(142)과 전기적으로 연결되게 형성된다.
상술한 공정으로 제조된 구조물을 칩 단위로 다이싱하여 복수의 정전용량 미세가공 초음파 변환기 칩(100)을 만든다.
본 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 디바이스 웨이퍼에서 엘리먼트(E) 절연용 트렌치를 형성시 상부전극을 위한 트렌치를 함께 형성하므로, 종래의 백 비아 형성을 위한 마스크 공정이 필요없어진다. 또한, 종래의 디바이스 기판의 백 비아 공정시 비아 메탈과 엘리먼트의 하부전극과 단락되는 문제가 방지된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 정전용량 미세가공 초음파 변환기
110: TSV 기판 116, 117: 비아 메탈
118a: 제3 본딩패드 118b: 제4 본딩패드
140: 디바이스 기판 141: 제1부분
142: 제2 부분 144: 절연층
145: 절연물질 147a: 제1 본딩패드
147b: 제2 본딩패드 153: 멤브레인
154: 지지대 160: 상부전극
C: 캐버티 E: 엘리먼트
M1, M2: 본딩 메탈 P1, P2: 전극 패드
T1: 제1 트렌치 T2: 제2 트렌치

Claims (19)

  1. 복수의 엘리먼트를 포함하며, 각 엘리먼트를 복수의 제1 부분으로 구분하는 제1 트렌치와, 상기 제1 트렌치와 이격되게 형성된 제2 트렌치를 포함하는 디바이스 기판;
    상기 디바이스 기판 상에서 상기 각 엘리먼트에 대응되는 복수의 캐버티를 한정하는 지지대;
    상기 지지대 상에서 상기 복수의 캐버티를 덮는 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에서 상기 멤브레인 및 상기 지지대를 관통하는 비아홀을 통해서 상기 제2 트렌치 내의 제2 부분과 전기적으로 연결된 상부전극; 및
    상기 디바이스 기판의 하부면 상에서 상기 복수의 제1 부분을 포함하는 각 엘리먼트와 대응되어 연결되는 복수의 제1 비아메탈과, 상기 제2부분에 연결된 제2 비아메탈을 포함하는 TSV 기판;을 구비하며,
    상기 복수의 제1 비아메탈 각각은 상기 각 엘리먼트와 일대일 대응되어 연결되고,
    상기 복수의 제1 비아메탈은 서로 전기적으로 고립된, 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치는 격자 형태인 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스 기판은 저저항 실리콘으로 이루어진 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 디바이스 기판은 10㎛ - 50㎛ 두께를 가지는 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치와 상기 제2 트렌치는 동일한 제1폭을 가지는 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1폭은 1㎛ - 10㎛ 인 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치는 절연물로 채워진 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 엘리먼트의 상기 복수의 제1 부분과 상기 제1 비아메탈 사이에 형성된 제1 본딩 메탈과, 상기 제2 부분과 상기 제2 비아메탈 사이에 형성된 제2 본딩 메탈을 더 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 본딩 메탈은 상기 각 엘리먼트의 복수의 캐버티 하부에 형성된 상기 복수의 제1부분과 접촉되게 형성된 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스 기판 및 상기 지지대 사이에 형성되며, 상기 비아홀에 의해 관통되어 상기 제1부분과 상기 상부전극이 접촉되게 하는 절연층을 더 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인 및 상기 지지대 사이에 형성되며, 상기 멤브레인 및 상기 비아홀에 의해 관통되어 상기 제1부분과 상기 상부전극이 접촉되게 하는 절연층을 더 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기.
  12. 디바이스 기판의 상면으로부터 각 엘리먼트 영역에 복수의 제1 부분을 절연시키는 제1 트렌치와, 상기 복수의 제1 부분과 이격된 제2 부분을 한정하는 제2 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 디바이스 기판의 상기 상면 또는 소이 기판의 제1 실리콘층 상에 복수의 캐버티를 한정하는 절연층으로 이루어진 지지대를 형성하는 단계;
    상기 소이 기판을 상기 디바이스 기판의 상기 상면에 본딩하여 상기 소이 기판 및 상기 디바이스 기판 사이에 상기 복수의 캐버티를 형성하는 단계;
    상기 디바이스 기판의 하면을 씨닝하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 노출시키는 단계;
    상기 복수의 제1 부분과 연결되는 제1 비아메탈과, 상기 제2 부분에 연결되는 제2 비아메탈을 포함하는 TSV 기판을 상기 디바이스 기판에 본딩하는 단계;
    상기 소이 기판의 매립 산화물층과 상기 매립 산화물층 상의 제2 실리콘층을 제거하여 상기 지지대 상으로 상기 제1 실리콘층을 남기는 단계;
    상기 제1 실리콘층과 상기 지지대를 관통하는 비아홀을 형성하여 상기 제2 부분을 노출시키는 단계; 및
    상기 제1 실리콘층 상으로 상기 비아홀을 통해서 상기 제2 부분과 접촉되는 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 디바이스 기판은 저저항 실리콘으로 이루어진 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 디바이스 기판을 상기 소이 기판에 본딩하는 단계는 상기 디바이스 기판과 상기 소이 기판을 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 본딩하는 단계인 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 형성하는 단계는 동일한 제1폭을 가지는 제1 트렌치 및 제2 트렌치를 형성하는 단계인 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1폭은 1㎛ - 10㎛ 인 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치 형성 단계는 10㎛ - 50㎛ 깊이의 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치 형성를 형성하는 단계인 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 절연물로 채우는 단계를 더 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 TSV 기판을 상기 디바이스 기판에 본딩하는 단계는:
    상기 디바이스 기판의 상기 하면에 상기 복수의 제1부분과 접촉하는 제1 본딩 패드와 상기 제2 부분과 접촉하는 제2 본딩 패드를 형성하는 단계;
    상기 TSV 기판의 상기 제1 비아메탈 상에 제3 본딩 패드와, 상기 제2 비아메탈 상에 제4 본딩 패드를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 본딩 패드와 상기 제2본딩 패드를 상기 제3본딩 패드와 상기 제4본딩 패드에 각각 접촉되게 형성한 후 유테틱 본딩을 하는 단계;를 포함하는 정전용량 미세가공 초음파 변환기 제조 방법.
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