KR102253210B1 - 전하 포획층을 가지는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전하 포획층을 가지는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전하 포획층을 가지는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 산화막과, 상기 산화막의 일부가 식각된 영역에 형성되는 공극과, 상기 산화막의 상부에 적층되어 상기 공극을 덮는 멤브레인과, 상기 식각된 영역에 적층되는 전하 포획층을 포함하고, 상기 전하 포획층은, 일부는 상기 공극의 내부에 삽입되고 다른 일부는 상기 공극의 외부로 연장되는 전극층을 포함한다.

Description

전하 포획층을 가지는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조 방법{CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER WITH CHARGE TRAPPING LAYER AND METHOD OF FABRICATING THEREOF}
실시예들은 전하 포획층을 가지는 미세가공 정전용량형 초음파 트랜스듀서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
정전용량성 미세가공 초음파 트랜스듀서(capitive micromachined ultrasonic transducer(CMUT))는 미세가공된 공극(micromachined cavity) 위에 멤브레인(membrane)이 위치하는 구조를 가지며, 음향 신호를 전기 신호로 또는 전기 신호를 음향 신호로 변환하는 데 사용될 수 있다.
일반적인 초음파 트랜스듀서는 압전에 기반하여 신호를 변환하지만, CMUT는 커패시턴스의 변화에 기반하여 에너지 변환을 수행한다. CMUT는 일반적으로 장치의 동작 위치를 결정하는 DC 전압을 사용하여 바이어스된다. AC 신호가 바이어스 된 CMUT의 전극에 인가되면, 멤브레인이 진동하여 초음파를 생성하여 CMUT는 초음파 송신기로 동작한다. 한편, 바이어스된 CMUT의 멤브레인에 초음파가 가해지면 CMUT의 커패시턴스가 변함에 따라 전기 신호가 발생하여 초음파 수신기로 동작한다.
다만, CMUT의 동작에는 수십 볼트에서 수백 볼트의 높은 구동 전압이 요구되기 때문에 적용 분야에 한계가 존재한다.
관련 선행기술로, 한국 등록특허공보 제10-1492033호(발명의 명칭: 초음파 트랜스듀서 및 그것을 사용한 초음파 진단 장치)가 있다.
아래 실시예들은 정전용량형 초음파 트랜스듀서에 있어, 전하 포획층을 집적하여 구동 전압을 낮추고, 전하 포획층의 전하 포획을 제어할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서는, 기판과, 상기 기판 위에 형성된 산화막과, 상기 산화막의 일부가 식각된 영역에 형성되는 공극과, 상기 산화막의 상부에 적층되어 상기 공극을 덮는 멤브레인과, 상기 식각된 영역에 적층되는 전하 포획층을 포함하고, 상기 전하 포획층은, 일부는 상기 공극의 내부에 삽입되고 다른 일부는 상기 공극의 외부로 연장되는 전극층을 포함한다.
상기 전하 포획층은, 전하를 포획하는 포획 물질층과, 상기 포획 물질층 위에 적층된 절연층을 포함하고, 상기 전극층은, 상기 절연층 위에 적층될 수 있다.
상기 산화막은, 상기 멤브레인을 지탱하는 제1 산화막과, 상기 제1 산화막보다 얇게 상기 식각된 영역에 형성되는 제2 산화막을 포함할 수 있다.
상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 전극층 및 상기 멤브레인 위에 증착되어 상기 공극을 고진공 상태로 밀폐하는 공극 밀폐 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 트랜스듀서는, 상기 멤브레인 위에 배치되는 구동 전극과, 상기 전극층 위에 배치되는 전하 포획층 연결 전극과, 상기 기판 위에 배치된 접지 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 포획 물질층은, 질화 규소 및 유전체 물질 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
상기 기판은, 고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법은, 기판 상에 오목한 패턴을 포함하는 산화막을 형성하는 단계;
상기 오목한 패턴 내에 전하 포획층을 적층하는 단계;
상기 오목한 패턴이 형성된 영역 중 일부를 제외한 영역을 덮도록 상기 산화막 위에 멤브레인을 적층하는 단계와, 상기 오목한 패턴이 형성된 영역 중 상기 멤브레인이 덮인 영역을 밀폐시켜 공극을 형성하는 단계와, 상기 전하 포획층 및 상기 멤브레인 상에 전극을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산화막을 형성하는 단계는, 열산화 공정을 통해 상기 기판 상에 제1 산화막을 형성하는 단계와, 상기 제1 산화막을 식각하는 단계와, 열산화 공정을 통해 상기 기판 위 영역 중 제1 산화막이 식각된 영역에 제2 산화막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 산화막은, 상기 제1 산화막보다 얇은 두께로 형성될 수 있다.
상기 전하 포획층을 적층하는 단계는, 상기 오목한 패턴 위에 포획 물질층을 적층하는 단계와, 상기 포획 물질층 위에 절연층을 적층하는 단계와, 상기 절연층 위에 전극층을 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 포획 물질층을 적층하는 단계는, 질화 규소 및 유전체 물질 중 적어도 하나를 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition(CVD)를 통해 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극층을 적층하는 단계는, 도핑된 폴리 실리콘을 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition(CVD)를 통해 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 멤브레인을 적층하는 단계는, 상기 전하 포획층이 집적된 상기 기판 상부에 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 본딩하는 단계와, 상기 SOI 웨이퍼를 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 공극을 형성하는 단계는, 고진공 상태에서 질화 규소를 증착하여 상기 공극 내부를 고진공 상태로 밀폐하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 초음파 트랜스듀서 제조 방법은, 상기 산화막을 식각하는 단계와, 식각된 영역에 드러난 상기 기판 위에 접지 전극을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 시스템은, 초음파 트랜스듀서 및 상기 초음파 트랜스듀서를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
상기 컨트롤러는, 상기 초음파 트랜스듀서의 전하 포획층을 상기 초음파 트랜스듀서의 구동과 독립적으로 제어할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 일 실시예에 따른 전하 포획층이 집적된 정전용량형 초음파 트랜스듀서의 구조 및 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1b에 도시된 전하 포획층의 구조를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 각각의 단계에서 제조되는 초음파 트랜스듀서의 단면을 나타낸다.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 제조방법의 각각의 단계에서 제조되는 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 도면이다.
도 5는 도 3a 및 도 3b에 도시된 제조 방법을 통해 제조된 초음파 트랜스듀서를 나타내는 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 전하 포획층이 집적된 정전용량형 초음파 트랜스듀서의 구조 및 성능을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1b에 도시된 전하 포획층의 구조를 상세히 설명하기 위한 도면이다.
정전용량형 초음파 트랜스듀서(110)는 전기적 에너지를 역학적 에너지로 전환하여 초음파를 발생시킬 수 있다. 정전용량형 초음파 트랜스듀서(110)는 효율적인 에너지 변환을 위하여 직류 전압을 인가하는데, 수십 볼트 내지 높게는 백 볼트의 직류 전압이 요구될 수 있다.
도 1b에 도시된 정전용량형 초음파 트랜스듀서(130)는 전하를 포획할 수 있는 전하 포획층(150)이 집적됨으로써 구동 전압을 낮출 수 있다. 즉, 도 1a에 도시된 종래의 정전용량형 초음파 트랜스듀서(110)의 공극(cavity)에 전하 포획층(150)을 집적함으로써 수십 볼트에서 수백 볼트의 높은 구동 전압을 가지는 초음파 트랜스듀서(110)의 구동 전압을 낮출 수 있다.
정전용량형 초음파 트랜스듀서(130)는 기판(210)위에 형성된 산화막(230)과 멤브레인(membrane; 250)으로 둘러쌓인 공극 내부에 전하 포획층(150)을 포함할 수 있다. 전하 포획층(150)은 전하 포획 효율이 높은 질화규소(silicon nitride; Si3N4) 및 높은 유전율을 가지는 고 유전체(high-k dielectric) 등으로 구성됨으로써 전하를 포획할 수 있다.
전하 포획층(150)에 포획된 전하는 멤브레인(250)에 유도 전하를 유도하게 되고, 상대적으로 멤브레인(250)에 DC 전압을 가하는 것과 같은 효과를 제공할 수 있다. 즉, 초음파 트랜스듀서(130)는 멤브레인(250)에 전압이 가하지 않더라도 DC 전압을 가한 것과 같이 멤브레인(250)에 디플렉션(deflection)이 나타날 수 있다.
도 1c는 전하 포획층(150)에 전하가 포획되었을 경우와 포획되지 않았을 경우에 초음파 트랜스듀서(130)의 풀인 전압(pull-in voltage)을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 전하 포획층(150)에서의 포획 전하 밀도를 7.5·1012 cm-2로 설정하고 시뮬레이션한 결과, 초음파 트랜스듀서(130)의 풀인 전압이 약 9.5 V 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 전압을 가하지 않은 경우에도 전하 포획층(150)에 포획된 전하에 의해 멤브레인(250)의 변위(displacement)가 증가함을 확인할 수 있다. 일반적으로 초음파 트랜스듀서(130)는 풀인 전압의 80%를 구동 전압으로 하기 때문에, 초음파 트랜스듀서(130)는 전하 포획층(150)에 포획된 전하를 통해 저전압에서 구동될 수 있다.
전하 포획층(150)은 제1 절연층(230), 포획 물질층(151), 제2 절연층(153) 및 전극층(155)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 절연층(230), 포획 물질층(151) 및 제2 절연층(153)의 적층 구조는 ONO(Oxide-Nitride-Oxide) 구조일 수 있고, 적층 구조 위에 전압을 가해줄 수 있는 전극층(155)이 배치될 수 있다.
제1 절연층(230) 및 제2 절연층(153)은 산화물(oxide)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 절연층(230) 및 제2 절연층(153)은 이산화 규소(silicon oxide; SiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)으로 구성된 층일 수 있다. 이때, 제1 절연층(230)은 실리콘으로 구성된 기판(210)에 열산화 공정을 통해 형성된 산화막일 수 있다.
포획 물질층(151)은 전하 포획 효율이 높은 질화규소(Si3N4) 또는 높은 유전율을 가지는 고유전체 물질(high-k)로 구성된 층일 수 있다. 이때, 고유전체 물질은 상대 유전율이 8 이상인 물질일 수 있다. 예를 들어, 고유전체 물질은 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 하프늄(HfO2)를 포함할 수 있다.
전극층(155)은 전도성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극층(155)은 금, 크롬, 폴리 실리콘 또는 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 층일 수 있다.
초음파 트랜스듀서(130)는 전하 포획층(150)에 전압을 가함으로써 전하를 포획할 수 있다. 예를 들어, 초음파 트랜스듀서(130)는 기판(210)을 접지하고, 전극층(155)을 통해 충분한 전압을 가하여 제1 절연층(230)에서 터널링을 통해 전하가 포획 물질층(151)에 도달하도록 할 수 있다. 포획 물질층(151)에 포획된 전하는 제2 절연층(153)에 가로 막혀 포획 물질층(151)에 포획될 수 있다.
초음파 트랜스듀서(130)는 전하 포획층(150)을 공극 내부에 집적함으로써 구동을 위한 전극(270)과 포획 전하 제어를 위한 전극(155)을 분리할 수 있으므로, 멤브레인(250)과 전하 포획층(150)의 직접적인 접촉이 필요 없으며 전하 포획 과정을 독립적으로 진행할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 제조 방법의 각각의 단계에서 제조되는 초음파 트랜스듀서의 단면을 나타내고, 도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 제조방법의 각각의 단계에서 제조되는 초음파 트랜스듀서를 위에서 바라본 도면이다.
초음파 트랜스듀서(500)는 기판(510) 위에 제조될 수 있다. 기판(510)은 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 접지 전극으로 활용할 수 있는 고농도로 도핑된 웨이퍼일 수 있다.
산화막(520)은 기판(510) 상에 형성될 수 있다(310). 예를 들어, 삼화막(520)은 열산화 공정(thermal oxidation)을 통해 기판(510) 상에 형성될 수 있다. 산화막(520)은 산화 규소(SiO2)일 수 있다.
제1 산화막(520-1)은 산화막(520)이 식각되어 형성될 수 있다(320). 예를 들어, 제1 산화막(520-1)은 리소그래피를 통해 포토레지스트 마스크를 형성하여, 산화막(520)을 식각하여 형성할 수 있다. 제1 산화막(520-1)은 상부에 적층될 멤브레인(560)을 지탱하는 역할을 수행할 수 있다.
제2 산화막(520-2)는 산화막(520)이 식각되어 제거된 영역에 형성될 수 있다(330). 예를 들어, 제2 산화막(520-2)는 열산화 공정을 통해 산화막(520)이 식각된 영역에 형성될 수 있다. 제2 산화막(520-2)는 제1 산화막(520-1)과 마찬가지로 산화 규소(SiO2)일 수 있다. 제2 산화막(520-2)는 산화막의 품질을 위하여 건식 열산화를 통해 형성될 수 있다.
제2 산화막(520-2)는 도 2에 도시된 제1 절연층(230)에 대응될 수 있다. 즉, 제2 산화막(520-2)은 터널링을 통해 전하를 제공할 수 있으며, 제2 산화막(520-2)는 터널링 현상이 일어나 전하가 이동할 수 있도록 10nm 미만의 두께로 형성될 수 있다.
도 3a의 단계(330)는 도 4의 단계(410)에 대응될 수 있다. 제2 산화막(520-2)은 제1 산화막(520-1)으로 둘러 쌓인 오목한 영역에 형성될 수 있다. 즉, 산화막(520)은 제1 산화막(520-1) 및 제2 산화막(520-2)로 구분되는 오목한 패턴을 포함할 수 있다. 오목한 패턴의 상부를 멤브레인(560)으로 덮어 제2 산화막(520-2)이 형성된 영역에 공극(cavity)이 형성될 수 있다.
제2 산화막(520-2) 위에 포획 물질층(530)이 적층되고, 포획 물질층(530) 위에 절연층(540)이 적층될 수 있다(340). 예를 들어, 포획 물질층(530)은 질화 규소(Si3N4) 또는 고유전체 물질을 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposisiton(LPCVD))를 통해 증착하여 적층할 수 있고, 절연층(540)은 산화 질소(SiO2) 또는 산화 알루미늄(Al2O3)를 플라즈마 화학 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition(PECVD))를 통해 증착하여 적층할 수 있다.
포획 물질층(530) 및 절연층(540)은 각각 도 2의 포획 물질층(151) 및 제2 절연층(153)에 대응될 수 있다. 즉, 포획 물질층(530)은 전하를 포획하고, 절연층(540)은 전하가 포획 물질층(530)에 포획되도록 전하를 가로 막을 수 있다.
도 3a의 단계(340)는 도 4의 단계(420)에 대응될 수 있다. 제2 산화막(520-2)이 형성된 오목한 영역에 포획 물질층(530) 및 절연층(540)이 순서대로 적층될 수 있다. 즉, 공극에 포획 물질층(530) 및 절연층(540)이 적층될 수 있다.
전극층(550)은 절연층(540) 위에 적층될 수 있다(350). 예를 들어, 전극층(550)은 폴리 실리콘(poly silicon)을 PECVD를 통해 증착하고, 건식 식각을 통해 패터닝하여 적층할 수 있다. 이때, 증착되는 폴리 실리콘은 도핑 폴리 실리콘 일 수 있다.
전극층(550)는 도 2의 전극층(155)에 대응될 수 있다. 즉, 전극층(550)는 포획 물질층(530)에 포획되는 전하를 제어할 수 있다.
도 3b의 단계(350)은 도 4의 단계(430)에 대응될 수 있다. 전극층(550)은 공극에 증착된 절연층(540) 위에 적층될 수 있다.
제2 산화막(520-2), 포획 물질층(530), 절연층(540) 및 전극층(550)은 전하 포획층(150)을 구성할 수 있다. 즉, 제2 산화막(520-2)이 형성된 공극에 포획 물질층(530), 절연층(540) 및 전극층(550)를 순서대로 적층하여 공극 내에 전하 포획층(150)을 집적할 수 있다.
멤브레인(560)은 제2 산화막(520-1) 위에 적층될 수 있다(360). 예를 들어, 멤브레인(560)은 단게(350)까지 제작된 기판에 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 본딩한 후 건식 식각을 통해 멤브레인(560)을 패터닝할 수 있다.
도 3b의 단계(360)은 도 4의 단계(440)에 대응될 수 있다. 멤브레인(560)은 전하 포획층(150)이 집적된 공극 중 일부 영역을 제외하고 적층될 수 있다. 즉, 도 4와 같이 전하 포획층(150) 중 일부는 멤브레인(560)에 덮이지 않고, 상부가 개방된 상태로 존재할 수 있다.
멤브레인(560)이 적층된 영역의 공극은 밀폐될 수 있다(370). 예를 들어, 공극은 상부에 멤브레인(560)이 적층되지 않아 개방된 전극층(550)과 멤브레인(560) 사이 간격에 공극 밀폐 물질(570)이 증착되어 밀폐될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(560)으로 덮인 공극은 고진공 상태에서 CVD를 통해 질화 규소(Si3N4)를 증착함으로써 고진공 상태로 밀폐될 수 있다.
접지부(580)은 제1 산화막(520-1)을 식각하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 접지부(580)는 제1 산화막(520-1)을 식각하여 제1 산화막(520-1) 중 일부 영역을 제거함으로써 기판(510)과 접촉할 수 있는 영역을 형성하여 형성될 수 있다.
도 3b의 단계(370) 및 단계(380)은 도 4의 단계(450)에 대응될 수 있다. 멤브레인(560)이 적층된 영역과 개방된 영역 사이에 질화 규소(570)을 증착함으로써 멤브레인(560)이 덮고 있는 공극을 고진공 상태로 밀폐할 수 있다. 즉, 공극을 밀폐함으로써 전극층(550)의 일부은 공극 내부에 삽입되고, 다른 일부는 공극 외부로 연장될 수 있다. 접지부(580)은 기판(510) 상 멤브레인(560) 주위 영역에 형성될 수 있다.
전하 포획층 연결 전극(591)은 공극 외부로 연장된 전극층(550) 위에 배치될 수 있다. 구동 전극(592) 및 접지 전극(593)은 각각 멤브레인(560) 및 접지부(580) 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 전하 포획층 연결 전극(591), 구동 전극(592) 및 접지 전극(593)은 금, 크롬 등을 포함하는 전도성 물질일 수 있으며 리소그래피(oithography)와 습식 및/또는 건식 식각을 통해 패터닝되어 각각의 위치에 배치될 수 있다.
도 5는 도 3a 및 도 3b에 도시된 제조 방법으로 제조된 초음파 트랜스듀서를 나타내는 단면도이다.
초음파 트랜스듀서(500)는 기판(510) 상에 적층된 산화막(520), 포획 물질층(530), 절연층(540), 전극층(550), 멤브레인(560), 공극 밀폐 물질(570), 전하 포획층 연결 전극(591), 구동 전극(592) 및 접지 전극(593)을 포함할 수 있다.
초음파 트랜스듀서(500)는 산화막(520), 포획 물질층(530), 절연층(540) 및 전극층(550)으로 구성된 전하 포획층(150)을 포함할 수 있다. 포획 물질층(530), 절연층(540) 및 전극층(550)은 산화막(520), 멤브레인(560) 및 공극 밀폐 물질(570)로 둘러 쌓인 고진공 상태의 밀폐된 공극 내부에 집적될 수 있다. 이때, 포획 물질층(530), 절연층(540) 및 전극층(550)이 집적된 영역 중 일부는 상부가 멤브레인(560)으로 덮이지 않아 공극 외부로 연장될 수 있다. 즉, 전극층(550)은 일부는 공극 내부에 위치하고 다른 일부는 공극 외부에 위치할 수 있다. 전하 포획층(150)은 외부로 연장된 전극층(550)을 통해 제어될 수 있다.
초음파 트랜스듀서(500)는 공극 외부로 연장된 전극층(550)에 배치된 연결 전극(591)을 통해 전하 포획층(150)의 전하 포획을 제어할 수 있고, 구동 전극(592)을 통해 전기 신호 및 음향 신호 사이 변환 동작을 수행할 수 있으며, 접지 전극(592)을 통해 접지할 수 있다.
도 5에서는 포획 물질층(530), 절연층(540), 전극층(550) 및 구동 전극(592)이 두 부분으로 분리된 것으로 도시되었지만, 초음파 트랜스듀서(500)의 단면을 도시하는 과정에서 분리된 것으로 도시된 것일 뿐 포획 물질층(530), 절연층(540), 전극층(550) 및 구동 전극(592)은 각각 서로 연결된 하나의 층으로 형성된 것일 수 있다.
초음파 트랜스듀서(500)는 공극 내부에 전하 포획층(150)을 집적하여 낮은 구동 전압으로 구동될 수 있다. 초음파 트랜스듀서(500)는 낮은 구동 전압을 가지며, 소형화과 싶고, 넓은 대역폭을 가지고 있으므로 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 트랜스듀서(500)는 낮은 소비 전력을 요구하는 모바일 헬스케어 분야 및 IoT 분야 등 보다 넓은 분야에 적용될 수 있으며, 특히 초음파 트랜스듀서(500)는 혈관 내 초음파(IVUS), 광음향 이미징(PAI) 등에 용이하게 적용될 수 있다. 나아가, 초음파 트랜스듀서(500)는 소형화가 쉽다는 기존 CMUT의 장점과 낮은 구동 전압이라는 장점을 결합하여, 기존 의료계에서 사용되고 있는 크기가 큰 초음파 이미징 시스템이 아닌, 캡슐 형태의 이미징 시스템과 같은 차세대 무선 이미징 플랫폼으로 확장 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 산화막;
    상기 산화막의 일부가 식각된 영역에 형성되는 공극;
    상기 산화막의 상부에 적층되어 상기 공극을 덮는 멤브레인;
    상기 식각된 영역에 적층되는 전하 포획층
    을 포함하고,
    상기 전하 포획층은,
    일부는 상기 공극의 내부에 삽입되고, 다른 일부는 상기 공극의 외부로 연장되어 상기 멤브레인에 덮이지 않아 상부가 개방되는 전극층
    을 포함하고,
    상기 공극은,
    상기 전극층 및 상기 멤브레인 위에 증착된 공극 밀폐 물질을 통해 고진공 상태로 밀폐하는, 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전하 포획층은,
    전하를 포획하는 포획 물질층;
    상기 포획 물질층 위에 적층된 절연층
    을 포함하고,
    상기 전극층은,
    상기 절연층 위에 적층되는, 초음파 트랜스듀서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은,
    상기 멤브레인을 지탱하는 제1 산화막; 및
    상기 제1 산화막보다 얇게 상기 식각된 영역에 형성되는 제2 산화막
    을 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 위에 배치되는 구동 전극;
    상기 전극층 위에 배치되는 전하 포획층 연결 전극; 및
    상기 기판 위에 배치된 접지 전극
    을 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 포획 물질층은,
    질화 규소 및 유전체 물질 중 적어도 하나로 구성된, 초음파 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은,
    고농도로 도핑된 실리콘 웨이퍼인, 초음파 트랜스튜서.
  8. 기판 상에 오목한 패턴을 포함하는 산화막을 형성하는 단계;
    상기 오목한 패턴 내에 전하 포획층을 적층하는 단계;
    상기 오목한 패턴이 형성된 영역 중 일부를 제외한 영역을 덮도록 상기 산화막 위에 멤브레인을 적층하는 단계;
    상기 오목한 패턴이 형성된 영역 중 상기 멤브레인이 덮인 영역을 밀폐시켜 공극을 형성하는 단계; 및
    상기 전하 포획층 및 상기 멤브레인 상에 전극을 배치하는 단계
    를 포함하고,
    상기 공극을 형성하는 단계는,
    고진공 상태에서 공극 밀폐 물질을 증착하여 상기 공극 내부를 고진공 상태로 밀폐하는 단계
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화막을 형성하는 단계는,
    열산화 공정을 통해 상기 기판 상에 제1 산화막을 형성하는 단계;
    상기 제1 산화막을 식각하는 단계; 및
    열산화 공정을 통해 상기 기판 위 영역 중 제1 산화막이 식각된 영역에 제2 산화막을 형성하는 단계
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 산화막은,
    상기 제1 산화막보다 얇은 두께로 형성되는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전하 포획층을 적층하는 단계는,
    상기 오목한 패턴 위에 포획 물질층을 적층하는 단계;
    상기 포획 물질층 위에 절연층을 적층하는 단계; 및
    상기 절연층 위에 전극층을 적층하는 단계;
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 포획 물질층을 적층하는 단계는,
    질화 규소 및 유전체 물질 중 적어도 하나를 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition(CVD)를 통해 적층하는 단계
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전극층을 적층하는 단계는,
    도핑된 폴리 실리콘을 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition(CVD)를 통해 적층하는 단계
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 멤브레인을 적층하는 단계는,
    상기 전하 포획층이 집적된 상기 기판 상부에 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼를 본딩하는 단계; 및
    상기 SOI 웨이퍼를 식각하는 단계
    를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제8항에 있어서,
    상기 산화막을 식각하는 단계; 및
    식각된 영역에 드러난 상기 기판 위에 접지 전극을 패터닝하는 단계
    를 더 포함하는, 초음파 트랜스듀서 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항의 초음파 트랜스듀서; 및
    상기 초음파 트랜스듀서를 제어하는 컨트롤러
    를 포함하는 초음파 트랜스듀서 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 초음파 트랜스듀서의 전하 포획층을 상기 초음파 트랜스듀서의 구동과 독립적으로 제어하는, 초음파 트랜스듀서 시스템.
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