KR102536838B1 - The Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Device and the Fabrication Method Of The Same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판; 상기 실리콘 소자 기판 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인; 상기 단결정 실리콘 멤브레인 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 배치된 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 포함한다. 상기 실리콘 소자 기판은, 상기 실리콘 소자 기판의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들; 상기 실리콘 소자 기판에 매립되어 상기 활성 영역들을 서로 분리시키는 트렌치 유리층; 상기 트렌치 유리층을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층; 및 상기 관통 트렌치 유리층을 감싸도록 배치된 주변 영역;을 포함한다. A method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention includes a silicon element substrate; a single crystal silicon membrane disposed on the silicon element substrate; an upper electrode disposed on the single crystal silicon membrane; and a first electrode pad and a second electrode pad disposed on a lower surface of the silicon element substrate. The silicon device substrate may include a plurality of active regions arranged in a matrix form on the silicon device substrate and operating as electrodes; a trench glass layer buried in the silicon device substrate to separate the active regions from each other; a through trench glass layer disposed to surround the trench glass layer and disposed to pass through the silicon device substrate; and a peripheral area disposed to surround the through trench glass layer.
Description
본 발명은 반도체 공정기술을 이용한 정전용량형 초음파 변환자 소자와 그 제작 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 아노딕 본딩과 이중 트렌치 구조를 채용한 정전용량형 초음파 변환자 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive ultrasonic transducer element using a semiconductor process technology and a manufacturing method thereof, and more particularly to a capacitive ultrasonic transducer element employing an anodic bonding and a double trench structure.
기존 세라믹 가공법에 의한 초음파 변환자는 압전물질을 기계적인 가공법 (dicing)으로 제작함으로써 대량생산이 힘들어 제품의 가격상승을 유발한다.Ultrasonic transducers by the existing ceramic processing method are manufactured by mechanical processing (dicing) of piezoelectric materials, and mass production is difficult, causing a rise in product prices.
기존 세라믹 가공법에 의한 초음파 변환자는 정전용량형 초음파 트랜스듀서 (capacitive micromachined ultrasonic transducer; cMUT)로 대체되고 있다.Ultrasonic transducers by existing ceramic processing methods are being replaced by capacitive micromachined ultrasonic transducers (cMUT).
정전용량형 초음파 변환자는 반도체 공정기반 기술로 제작되어 대량 생산 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. cMUT은 기존 세라믹 가공법으로 제작된 초음파 변환자와 비교하여 음압이 낮은 한계점을 가지고 있어 하나의 채널에 복수의 cMUT 셀로 구성하는 것이 일반적이다.Capacitive ultrasonic transducers can be manufactured with semiconductor process-based technology to improve mass production and reliability. cMUT has a lower sound pressure threshold compared to ultrasonic transducers manufactured by conventional ceramic processing methods, so it is common to configure a plurality of cMUT cells in one channel.
cMUT은 반도체 공정을 사용함으로써 신호처리칩과 단일화가 가능하다. cMUT은 통상적으로 웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding) 또는 웨이퍼 직접 본딩(wafer direct bonding)을 통하여 진공 케비티(vacuum cavity)를 형성할 수 있다.cMUT can be unified with a signal processing chip by using a semiconductor process. The cMUT may form a vacuum cavity through wafer fusion bonding or wafer direct bonding.
웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding)은 두 웨이퍼의 표면의 평탄도(flatness), 거칠기(smoothness), 및 세정도(cleanliness)에 의존한다. 특히 세정도가 낮은 경우, 본딩 공정 실패율이 높다.Wafer fusion bonding depends on the flatness, smoothness, and cleanliness of the surfaces of two wafers. In particular, when the cleaning degree is low, the bonding process failure rate is high.
초음파를 전기적으로 조향하기 위하여 2-D 배열을 사용이 필수적이며 이를 위하여 전기 신호를 각 채널에서 전극을 연결하여야 한다. 2-D 배열을 제작하기 위하여 통상적으로 cMUT은 실리콘 관통 전극 (Through silicon via; TSV) 공정을 사용한다. 각 채널은 높은 파워를 생성하기 위하여 복수의 케비티 셀들을 포함한다.It is essential to use a 2-D array to electrically steer ultrasonic waves, and for this, electrical signals must be connected to electrodes in each channel. To fabricate 2-D arrays, cMUTs typically use a through silicon via (TSV) process. Each channel includes a plurality of cavity cells to generate high power.
따라서, 복수의 케비티 셀들의 면적 효율을 증가시키고 웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding)을 대체하여 안정적인 본딩을 제공할 새로운 공정 및 새로운 구조가 요구된다.Therefore, a new process and a new structure are required to increase area efficiency of a plurality of cavity cells and to provide stable bonding by replacing wafer fusion bonding.
본 발명의 해결하고자는 일 기술적 과제는 cMUT의 웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding)공정으로 인한 낮은 공정 수율을 해결하고 복수의 케비티 셀들의 면적 효율을 증가시킨 새로운 구조의 cMUT 소자를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to solve the low process yield due to the wafer fusion bonding process of the cMUT and to provide a cMUT device with a new structure that increases the area efficiency of a plurality of cavity cells.
본 발명의 해결하고자는 일 기술적 과제는 cMUT의 웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding)공정으로 인한 낮은 공정 수율을 해결하고 복수의 케비티 셀들의 면적 효율을 증가시킨 새로운 구조의 cMUT 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to solve the low process yield due to the wafer fusion bonding process of the cMUT and increase the area efficiency of a plurality of cavity cells Provide a method of manufacturing a cMUT device with a new structure is to do
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판; 상기 실리콘 소자 기판 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인; 상기 단결정 실리콘 멤브레인 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 배치된 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 포함한다. 상기 실리콘 소자 기판은, 상기 실리콘 소자 기판의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들; 상기 실리콘 소자 기판에 매립되어 상기 활성 영역들을 서로 분리시키는 트렌치 유리층; 상기 트렌치 유리층을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층; 및 상기 관통 트렌치 유리층을 감싸도록 배치된 주변 영역;을 포함한다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 실리콘 소자 기판의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층을 덮도록 배치되고 상기 활성 영역들과 정렬되는 복수의 진공 케비티들을 포함한다. 상기 복수의 진공 케비티들은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면이 함몰되어 형성된다. 상기 상부 전극은 상기 주변 영역으로 연장되고 상기 주변 영역을 통하여 상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결된다. 상기 활성 영역들은 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결된다.A method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention includes a silicon element substrate; a single crystal silicon membrane disposed on the silicon element substrate; an upper electrode disposed on the single crystal silicon membrane; and a first electrode pad and a second electrode pad disposed on a lower surface of the silicon element substrate. The silicon device substrate may include a plurality of active regions arranged in a matrix form on the silicon device substrate and operating as electrodes; a trench glass layer buried in the silicon device substrate to separate the active regions from each other; a through trench glass layer disposed to surround the trench glass layer and disposed to pass through the silicon device substrate; and a peripheral area disposed to surround the through trench glass layer. The single crystal silicon membrane includes a plurality of vacuum cavities disposed on an upper surface of the silicon device substrate to cover the through trench glass layer and aligned with the active regions. The plurality of vacuum cavities are formed by recessing a lower surface of the single crystal silicon membrane. The upper electrode extends into the peripheral area and is electrically connected to the first electrode pad through the peripheral area. The active regions are electrically connected to the second electrode pad.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 관통 트렌치 유리층 및 상기 트렌치 유리층과 아노딕 본딩될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the single crystal silicon membrane may be anodic bonded to the through trench glass layer and the trench glass layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층의 두께는 1 μm 내지 10 μm이고, 상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm이고, 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm이고, 상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm이고, 상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm, the height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm, and the thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm, The silicon device substrate may have a thickness of 200 μm to 500 μm, the vacuum cavity may be circular, have a diameter of 10 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진공 케비티들 각각은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면에 단락 방지 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 단락 방지 절연층의 두께는 100nm 내지 200 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the vacuum cavities may further include a short circuit prevention insulating layer on a lower surface of the single crystal silicon membrane. The thickness of the short-circuit-preventing insulating layer may be 100 nm to 200 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 활성 영역들 각각은 그 상부면에 단락 방지 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 단락 방지 절연층의 두께는 100nm 내지 200 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the active regions may further include a short circuit prevention insulating layer on its upper surface. The thickness of the short-circuit-preventing insulating layer may be 100 nm to 200 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 관통 트렌치 유리층의 폭은 20 μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the through trench glass layer may have a width of 20 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층은 상기 실리콘 소자 기판과 확산방지를 위한 확산 방지층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the trench glass layer and the through trench glass layer may further include the silicon element substrate and a diffusion barrier for diffusion prevention.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판 상에 유리 기판을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 유리층으로 채워서 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 각각 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층을 노출시키는 단계; 실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 단결정 실리콘층을 패터닝하여 상기 활성 영역들에 대응하는 진공 케비티들과 상기 주변 영역에 대응하는 보조 케비티를 형성하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 상기 단결정 실리콘층과 상기 실리콘 소자 기판의 상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층을 아노딕 접합하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판 및 절연층을 제거하는 단계; 상기 단결정 실리콘층을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 덮는 상부 전극을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드를 형성하는 단계를 포함한다.In a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention, a silicon element substrate is patterned to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and the first trench is formed in the first trench. forming a second trench deeper than the first trench; disposing a glass substrate on the silicon device substrate and performing reflow to fill the first trench and the second trench with a glass layer to form a trench glass layer and a through-trench glass layer, respectively; planarizing an upper surface of the silicon device substrate to expose the active regions and polishing a lower surface of the silicon device substrate to expose the through trench glass layer; Forming vacuum cavities corresponding to the active regions and auxiliary cavities corresponding to the peripheral region by patterning a single crystal silicon layer of a silicon on insulator (SOI) substrate including a silicon substrate/insulation layer/single crystal silicon layer. ; anodic bonding the single crystal silicon layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate to the trench glass layer and the through-trench glass layer of the silicon device substrate; removing a silicon substrate and an insulating layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate; cutting the single crystal silicon layer to form the single crystal silicon membrane; and forming an upper electrode covering an upper surface of the single crystal silicon membrane and covering the peripheral region, a first electrode pad at a position corresponding to the peripheral region and a position corresponding to the active regions on the lower surface of the silicon device substrate. and forming a second electrode pad on
본 발명의 일 실시예에 있어서, 실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 및 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 실리콘 소자 기판 상에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제1 트렌치와 식각되지 않은 활성 영역들 및 주변 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 트렌치 내에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제2 트렌치를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a silicon device substrate is patterned to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and a second trench deeper than the first trench is formed in the first trench. The step of doing may include forming a first trench etched through a patterning process, active regions that are not etched, and peripheral regions on the silicon device substrate; and forming a second trench etched through a patterning process in the first trench.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층의 두께는1 μm 내지 10 μm이고, 상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm이고, 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm이고, 상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm이고, 상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm, the height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm, and the thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm, The silicon device substrate may have a thickness of 200 μm to 500 μm, the vacuum cavity may be circular, have a diameter of 10 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자는, 실리콘 소자 기판; 상기 실리콘 소자 기판 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인; 상기 단결정 실리콘 멤브레인 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 배치된 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 포함한다. 상기 실리콘 소자 기판은, 상기 실리콘 소자 기판의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들; 상기 실리콘 소자 기판에 매립되어 상기 활성 영역들 서로 분리시키는 트렌치 유리층; 상기 트렌치 유리층을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층; 및 상기 관통 트렌치 유리층을 감싸도록 배치된 주변 영역;을 포함한다. 상기 활성 영역들의 상부면은 상기 트렌치 유리층의 상부면보다 낮도록 형성된다. 복수의 진공 케비티들은 상기 단결정 실리콘 멤브레인과 상기 활성 영역들 사이에 형성된다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 실리콘 소자 기판의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층을 덮도록 배치된다. 상기 상부 전극은 상기 주변 영역으로 연장되고 상기 주변 영역을 통하여 상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결된다. 상기 활성 영역들은 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결된다.A capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention includes a silicon element substrate; a single crystal silicon membrane disposed on the silicon element substrate; an upper electrode disposed on the single crystal silicon membrane; and a first electrode pad and a second electrode pad disposed on a lower surface of the silicon element substrate. The silicon device substrate may include a plurality of active regions arranged in a matrix form on the silicon device substrate and operating as electrodes; a trench glass layer buried in the silicon device substrate to separate the active regions from each other; a through trench glass layer disposed to surround the trench glass layer and disposed to pass through the silicon device substrate; and a peripheral area disposed to surround the through trench glass layer. Top surfaces of the active regions are formed to be lower than top surfaces of the trench glass layer. A plurality of vacuum cavities are formed between the monocrystalline silicon membrane and the active regions. The single crystal silicon membrane is disposed on an upper surface of the silicon device substrate to cover the through trench glass layer. The upper electrode extends into the peripheral area and is electrically connected to the first electrode pad through the peripheral area. The active regions are electrically connected to the second electrode pad.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 관통 트렌치 유리층 및 상기 트렌치 유리층과 아노딕 본딩될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the single crystal silicon membrane may be anodic bonded to the through trench glass layer and the trench glass layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층의 깊이는 1 μm 내지 10 μm이고, 상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm이고, 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두꼐는 0.5 μm 내지 2 μm이고, 상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm이고, 상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the depth of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm, the height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm, and the thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm, The silicon device substrate may have a thickness of 200 μm to 500 μm, the vacuum cavity may be circular, have a diameter of 10 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 진공 케비티들 각각은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면에 단락 방지 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 단락 방지 절연층은 2nm 내지 200 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the vacuum cavities may further include a short circuit prevention insulating layer on a lower surface of the single crystal silicon membrane. The short-circuit-preventing insulating layer may have a thickness of 2 nm to 200 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 활성 영역들 각각은 그 상부면에 절연층을 더 포함하고, 상기 절연층은 100nm 내지 200 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the active regions further includes an insulating layer on an upper surface thereof, and the insulating layer may have a thickness of 100 nm to 200 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 관통 트렌치 유리층의 폭은 20 μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the through trench glass layer may have a width of 20 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층은 상기 실리콘 소자 기판과 확산방지를 위한 확산 방지층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the trench glass layer and the through trench glass layer may further include the silicon element substrate and a diffusion barrier for diffusion prevention.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판 상에 유리 기판을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 유리층으로 채워 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 각각 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들 및 상기 주변 영역을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층을 노출시키는 단계; 상기 활성 영역들과 상기 주변 영역을 리세스하여 진공 케비티 및 보조 진공 케비티를 형성하는 단계; 실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 상기 단결정 실리콘층과 상기 실리콘 소자 기판의 상기 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 아노딕 접합하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판 및 절연층을 제거하는 단계; 상기 단결정 실리콘층을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인을 형성하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 국부적으로 덮는 상부 전극을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드를 형성하는 단계를 포함한다.In a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention, a silicon element substrate is patterned to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and the first trench is formed in the first trench. forming a second trench deeper than the first trench; disposing a glass substrate on the silicon device substrate and performing reflow to fill the first trench and the second trench with a glass layer to form a trench glass layer and a through-trench glass layer, respectively; planarizing an upper surface of the silicon device substrate to expose the active regions and the peripheral region and polishing a lower surface of the silicon device substrate to expose the through trench glass layer; forming a vacuum cavity and an auxiliary vacuum cavity by recessing the active regions and the peripheral region; anodic bonding the single-crystal silicon layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate including the silicon substrate/insulation layer/single-crystal silicon layer and the trench glass layer and through-trench glass layer of the silicon device substrate; removing a silicon substrate and an insulating layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate; cutting the single crystal silicon layer to form the single crystal silicon membrane; and forming an upper electrode covering an upper surface of the single crystal silicon membrane and locally covering the peripheral region, and corresponding to the first electrode pad and the active regions on the lower surface of the silicon element substrate at a position corresponding to the peripheral region. and forming a second electrode pad at a position where
본 발명의 일 실시예에 있어서, 실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 및 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계는, 상기 실리콘 소자 기판 상에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제1 트렌치와 식각되지 않은 활성 영역들 및 주변 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 트렌치 내에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제2 트렌치를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a silicon device substrate is patterned to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and a second trench deeper than the first trench is formed in the first trench. The step of doing may include forming a first trench etched through a patterning process, active regions that are not etched, and peripheral regions on the silicon device substrate; and forming a second trench etched through a patterning process in the first trench.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 트렌치 유리층의 두께는 1 μm 내지 10 μm이고, 상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm이고, 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm이고, 상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm이고, 상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm이고, 이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm, the height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm, and the thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm, The silicon device substrate may have a thickness of 200 μm to 500 μm, the vacuum cavity may be circular, have a diameter of 10 μm to 50 μm, and a minimum distance between adjacent active regions may be 0.5 μm to 5 μm.
본 발명의 일 실시예에 따른 cMUT 소자는 고집적된 멤브레인과 실리콘 소자 기판의 접합 강도 및 수율을 증가시키고 8 MHz 이상의 고주파에서 동작시킬 수 있다.The cMUT device according to an embodiment of the present invention increases the bonding strength and yield of a highly integrated membrane and a silicon device substrate and can operate at a high frequency of 8 MHz or more.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 평면도이다.
도 2a는 도 1의 정전용량형 초음파 변환자 소자의 하나의 채널을 나타내는 실리콘 소자 기판의 평면도이다.
도 2b는 도 1의 정전용량형 초음파 변환자 소자의 하나의 채널을 나타내는 실리콘 소자 기판 및 SOI 기판의 평면도이다.
도 3은 도 2b의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 2b의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5a 내지 도 5m은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 단면도이다.
도 8a 내지 도 8h은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.1 is a plan view of a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A is a plan view of a silicon element substrate showing one channel of the capacitive ultrasonic transducer element of FIG. 1 .
FIG. 2B is a plan view of a silicon element substrate and an SOI substrate showing one channel of the capacitive ultrasonic transducer element of FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view taken along line AA' of FIG. 2B.
4 is a cross-sectional view taken along line BB' of FIG. 2B.
5A to 5M are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a capacitive ultrasonic transducer element according to another embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a capacitive ultrasonic transducer element according to another embodiment of the present invention.
8A to 8H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
웨이퍼 융합 본딩(wafer fusion bonding)은 위치에 따른 세정도의 차이에 의하여 불량을 유발할 수 있다. cMUT에서 실리콘 기판을 관통하는 실리콘 관통 전극(TSV) 또는 실리콘 기판을 관통하는 실리콘 관통 절연층을 사용하는 경우, 통상적으로 실리콘 관통 전극을 위한 트렌치( 또는 홀)는 10 이상의 높은 식각 종횡비 및 상기 높은 종횡비에 기인한 트렌치의 테이퍼링에 의하여 미세한 피치를 달성하기 어렵다.Wafer fusion bonding may cause defects due to differences in cleaning degree according to positions. When using a through-silicon through-electrode (TSV) penetrating a silicon substrate or a through-silicon insulating layer through a silicon substrate in a cMUT, a trench (or hole) for a through-silicon through-electrode is usually provided with a high etch aspect ratio of 10 or more and the high aspect ratio It is difficult to achieve a fine pitch due to the tapering of the trench.
cMUT의 각 채널은 복수의 케비티 셀들을 포함하고, 진공 케비티 셀들의 수가 증가함에 따라, 진공 케비티 셀들 사이의 간격은 실리콘 관통 전극을 위하여 낭비된다. 따라서, 진공 케비티 셀들 사이의 간격을 감소시키어, 집적도의 증가가 요구된다. Each channel of the cMUT includes a plurality of cavity cells, and as the number of vacuum cavity cells increases, the gap between the vacuum cavity cells is wasted for the TSV. Therefore, it is required to increase the degree of integration by reducing the spacing between the vacuum cavity cells.
본 발명은 진공 케비티 셀들 (또는 진공 케비티들) 사이의 간격을 감소시키어 집적도를 증가시키고, 세정도에 민감하지않은 아노딕 본딩(anodic bonding)을 사용하여 불량률을 감소시킬 수 있다. 진공 케비티 셀들 사이의 간격은 듀얼 다마신(dual damascene) 공정과 유사한 이중 트렌치 공정과 유리판의 열 리플로우(thermal reflow) 공정을 사용하여 감소시킬 수 있다.The present invention can reduce the gap between vacuum cavity cells (or vacuum cavities) to increase the degree of integration and reduce the defect rate by using anodic bonding that is not sensitive to cleanliness. The gap between the vacuum cavity cells can be reduced using a dual trench process similar to the dual damascene process and a thermal reflow process of the glass plate.
본 발명은 실리콘 소자 기판 상에 제1 트렌치를 형성하고, 상기 제1 트렌치와 일부 중첩되어 상기 제1 트렌치에서 더 함몰된 제2 트렌치를 형성한다. 이어서, 아노딕 본딩(anodic bonding)을 사용하여 실리콘 소자 기판과 유리 기판을 접합한다. 유리 기판은 리플로우(reflow)에 의하여 제1 트렌치 및 제2 트렌치를 채워 유리층을 형성한다. 상기 유리층이 형성된 실리콘 소자 기판의 상부면은 상기 실리콘 소자 기판을 노출하도록 평탄화된다. 또한, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면은 상기 제2 트렌치를 채우는 상기 유리층이 노출되도록 연마된다. 이어서. 진공 케비티들을 포함한 SOI 기판과 상기 유리층은 아노딕 본딩(anodic bonding)을 통하여 접합함으로써 접합수율을 향상시킬 수 있다. 이어서, 상기 SOI 기판의 실리콘 기판과 산화물층을 제거한다. 또한, 제1 트렌치를 사용함으로써 케비티 셀의 낮은 종횡비가 구현 가능하여 직경이 작은 초음파 변환자 제작이 가능하다. 직경이 작은 초음파 변환자를 통하여 집적도를 향상 시킬 수 있으며 고주파수 대역(8 MHz 이상)의 초음파를 발생 시킬 수 있다. According to the present invention, a first trench is formed on a silicon device substrate, and a second trench partially overlaps the first trench and is further recessed in the first trench. Subsequently, the silicon element substrate and the glass substrate are bonded using anodic bonding. The glass substrate is reflowed to form a glass layer by filling the first trench and the second trench. An upper surface of the silicon device substrate on which the glass layer is formed is planarized to expose the silicon device substrate. Also, a lower surface of the silicon device substrate is polished to expose the glass layer filling the second trench. next. Bonding yield can be improved by bonding the SOI substrate including vacuum cavities and the glass layer through anodic bonding. Subsequently, the silicon substrate and oxide layer of the SOI substrate are removed. In addition, by using the first trench, a low aspect ratio of the cavity cell can be realized, and thus an ultrasonic transducer with a small diameter can be manufactured. The degree of integration can be improved through an ultrasonic transducer with a small diameter, and ultrasonic waves of a high frequency band (more than 8 MHz) can be generated.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art. In the drawings, elements are exaggerated for clarity. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 평면도이다.1 is a plan view of a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
도 2a는 도 1의 정전용량형 초음파 변환자 소자의 하나의 채널을 나타내는 실리콘 소자 기판의 평면도이다.FIG. 2A is a plan view of a silicon element substrate showing one channel of the capacitive ultrasonic transducer element of FIG. 1 .
도 2b는 도 1의 정전용량형 초음파 변환자 소자의 하나의 채널을 나타내는 실리콘 소자 기판 및 SOI 기판의 평면도이다.FIG. 2B is a plan view of a silicon element substrate and an SOI substrate showing one channel of the capacitive ultrasonic transducer element of FIG. 1 .
도 3은 도 2b의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.3 is a cross-sectional view taken along the line A-A' of FIG. 2B.
도 4는 도 2b의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.4 is a cross-sectional view taken along line BB' of FIG. 2B.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)는, 실리콘 소자 기판(110); 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인(132a); 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a) 상에 배치된 상부 전극(136); 및 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면에 배치된 제1 전극 패드(14) 및 제2 전극 패드(12)를 포함한다. 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)는 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 진동에 의하여 초음파를 발생시킨다.1 to 4, the capacitive
상기 실리콘 소자 기판(110)은, 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 하부 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들(116); 상기 실리콘 소자 기판(110)에 매립되어 상기 활성 영역들(116)을 서로 분리시키는 트렌치 유리층(114); 상기 트렌치 유리층(114)을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판(110)을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층(112); 및 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 감싸도록 배치된 주변 영역(118);을 포함한다. 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)의 활성 영역들(116)은 하부 전극으로 동작한다.The
상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 덮도록 배치되고 상기 활성 영역들(116)과 정렬되는 복수의 진공 케비티들(122)을 포함한다. 복수의 진공 케비티들(122)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면이 함몰되어 형성된다. 상기 상부 전극(136)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a) 상에서 상기 주변 영역(132)으로 연장되고 상기 주변 영역(132)을 통하여 상기 제1 전극 패드(14)와 전기적으로 연결된다. 상기 활성 영역들(116)은 상기 제2 전극 패드(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 단결정 실리콘으로 불순물로 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다.The single
정전용량형 초음파 변환자 소자(100)는 복수의 채널들(10)을 포함할 수 있다. 상기 채널들(10) 각각은 상기 제2 전극 패드(12)를 통하여서 서로 다른 위상의 전기 신호를 제공받아 빔 포밍(beam-forming)을 수행할 수 있다. 각 채널(10)은 적어도 하나의 진공 케비티(122)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 각 채널(10)은 매트릭스 형태로 배열된 복수의 진공 케비티들(122)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 진공 케비티들(122)은 3x3 배열 내지 10x10 배열일 수 있다. 상기 진공 케비티들(122)에 의하여 형성된 진공 케비티 셀들 각각은 고유 진동수에서 동작하나 충분한 파워를 제공하지 못할 수 있다. 따라서, 매트릭스 형태로 배열된 각 채널(10)은 동일한 전기적 신호를 제공받아 복수의 진공 케비티 셀들을 이용하여 충분한 출력 파워를 제공할 수 있다. 진공 케비티 셀들 각각은 구동 바이어스 전압을 낮추기 위하여 1μm 이하의 충분히 얇은 멤브레인이 요구된다. 또한, 진공 케비티(122)의 직경은 필요주파수에 따라 설계되어 질 수 있다. The capacitive
각 채널(10)을 구성하는 진공 케비티 셀들 또는 진공 케비티들의 직접도를 증가시키기 위하여 서로 밀접하게 배치될 필요가 있다. 이러한 밀접 배치를 위하여, 단결정 실리콘 멤브레인(132a)과 실리콘 소자 기판(110)은 충분한 접착 강도를 요구한다. 또한, 진공 케비티들(122) 사이의 간격 또는 활성영역들 사이의 간격(w)은 트렌치 유리층(114)을 형성하기 위한 식각 종횡비(etching aspect ratio)에 의존한다. 따라서, 식각 종횡비를 낮추어 활성영역들(116) 사이의 최소 간격(w) 또는 진공 케비티들(122) 사이의 간격을 감소시킬 필요가 있다.In order to increase the degree of directness of the vacuum cavity cells or vacuum cavities constituting each
본 발명은 낮은 식각 종횡비를 가진 제1 트렌치(143)를 사용하여 활성영역들(116) 사이의 최소 간격(w)을 감소시키고, 단결정 실리콘 맴브레인(132)과 실리콘 소자 기판(110)의 유리층(112,114)과 아노딕 접합을 이용하여 접합 강도를 증가시킬 수 있다. 높은 식각 종횡비를 가진 제2 트렌치(145)의 폭(g)은 20 μm 내지 50 μm로 최적화될 수 있다.The present invention reduces the minimum distance w between the
상기 실리콘 소자 기판(110)은 고농도 불순물로 도핑된 저저항 실리콘 소자 기판일 수 있다. 상기 불순물은 p형 불순물 또는 n형 불순물일 수 있다. 상기 실리콘 소자 기판(110)의 두께는 200 μm 내지 500 μm일 수 있다. The
상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면은 상기 실리콘 소자 기판(110)을 노출시키는 섬 형태의 복수의 활성 영역들(116), 상기 활성 영역들(116)을 감싸도록 배치된 트렌치 유리층(114), 상기 트렌치 유리층(114)을 감싸도록 배치된 관통 트렌치 유리층(112), 및 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 감싸도록 배치된 주변 영역(118)을 포함한다. 상기 복수의 활성 영역들(116)은 진공 케비티 셀 또는 단위 축전지를 구성하는 하부 전극들로 동작한다. An upper surface of the
상기 활성 영역들(116) 각각은 평면도 상에서 원형, 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 바람직하게는, 상기 활성 영역들(116)은 원형일 수 있다. 상기 활성 영역들(116)은 주기적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성 영역들(116)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 활성 영역들(116)은 상기 실리콘 소자 기판(110)에서 돌출되어 하부 전극으로 동작한다. 상기 활성 영역들(116)은 돌출된 저저항 실리콘 소자 기판의 일부이다.Each of the
트렌치 유리층(114)은 상기 활성 영역들(116)을 서로 분리시키는 절연층이다. 상기 트렌치 유리층(114)은 유리이고, 예를 들어, 붕규산 유리(borosilicated glass)일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)은 평면도 상에 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114) 내에 복수의 활성 영역들(116)이 서로 이격되어 섬 형태로 배열될 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)은 나트륨(Na)을 포함하는 유리일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)의 두께는 1 μm 내지 10 μm 일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)의 두께는 상기 진공 케비티(122)의 높이의 10 배 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 트렌치 유리층(114)은 상기 실리콘 소자 기판(110)과 상기 상부 전극(136) 사이의 기생 정전 용량을 감소시킬 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)의 깊이가 너무 깊으면, 활성 영역들(116) 사이의 최소 간격(w)을 감소시키기 어렵다.Trench
상기 트렌치 유리층(114)의 폭 또는 활성 영역들(116) 사이의 최소 간격(w)은 0. 5μm 내지 5 μm 일 수 있다. 바람직하게는, 최소 간격(w)은 0. 5μm 내지 2μm 일 수 있다. 상기 최소 간격(w)이 0.5 μm 미만 이면, 아노딕 본딩의 접합 강도가 감소할 수 있다. 상기 최소 간격(w)이 2μm 초과이면, 집적도가 감소할 수 있다. A width of the
관통 트렌치 유리층(112)은 상기 실리콘 소자 기판(110)을 관통하여 배치된다. 상기 관통 트렌치 유리층(112)은 이웃한 채널들(10)을 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다. 상기 관통 트렌치 유리층(112)은 붕규산 유리(borosilicated glass)일 수 있다. 상기 관통 트렌치 유리층은 나트륨(Na)을 포함하는 유리일 수 있다. A through
상기 관통 트렌치 유리층(112)은 깊은 트렌치(deep trench) 반응성 이온 에칭(reactive ion etching; RIE) 공정에 의하여 식각된 후 유리층에 의하여 리플로우 공정에 의하여 매립되어 형성될 수 있다. 상기 깊은 트렌치 공정은 식각 종횡비에 따라 식각 깊이 또는 제2 트렌치의 기울기(θ)가 정해질 수 있다. 상기 실리콘 소자 기판(110)의 두께는 200 μm 내지 500 μm일 수 있다. 따라서, 안정적으로 상기 실리콘 소자 기판(110)을 관통하기 위하여 상기 관통 트렌치 유리층(112)의 폭(g)은 20 μm 내지 50 μm일 수 있다. The through
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층은 상기 실리콘 소자 기판 사이에 확산방지를 위한 확산 방지층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 확산 방지층은 실리콘 산화막 또는 알루미늄 산화막일 수 있다.According to a modified embodiment of the present invention, the trench glass layer and the through trench glass layer may further include a diffusion barrier layer (not shown) between the silicon device substrates to prevent diffusion. The diffusion barrier layer may be a silicon oxide layer or an aluminum oxide layer.
주변 영역(118)은 상기 관통 트렌치 유리층(112)의 외곽에 배치되며, 바람직하게는 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 감싸도록 배치될 수 있다. 주변 영역(118)은 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면이 노출된 부위일 수 있다. 주변 영역(118)의 상부면은 활성영역(116)의 상부면과 동일한 평면일 있다. 상기 주변 영역(118)은 상기 상부 전극(136)과 상기 제1 전극 패드(14)를 연결하는 전기적 연결통로로 사용될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(14)는 접지에 연결될 수 있다.The
단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 불순물로 도핑되지 않은 단결정 실리콘 또는 도핑된 단결정 실리콘일 수 있다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 진동판으로 동작할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm일 수 있다. 상기 진공 케비티들(122)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면에 형성될 수 있다. 상기 진공 케비티(122)의 형상은 원형, 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 상기 진공 케비티(122)의 형상은 상기 활성 영역(116)의 형상과 동일이고 상기 활성 영역보다 약간 더 클 수 있다. 원형 진공 캐비티(122)의 직경은 10μm 내지 50 μm일 수 있다. The single-
예를 들어, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 두께가 1 μm이고, 원형 진공 캐비티(122)의 직경이 20μm이고, 상기 진공 케비티(122)의 높이가 0.5 μm인 경우, 진동 고유 주파수는 약 8 MHz일 수 있다. For example, when the thickness of the single
본 발명의 cMUT의 진동 고유주파수는 8 MHz 이상일 수 있다. 초음파 변환자의 성능최적화를 위하여, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 두께(t)는 2 μm 이하일 수 있다. 구체적으로, 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 두께(t)는 상기 진공 케비티(122)의 높이의 2 배 내지 10배일 수 있다. 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 함몰된 구조의 단결정 실리콘을 사용하여 별도의 물질을 사용하여 지지부를 제공하는 구조에 비하여 안정적인 진동 특성을 제공할 수 있다. 또한, 진동 주파수를 변경하는 경우, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 두께(t)는 용이하게 설계 변경될 수 있다. The vibration natural frequency of the cMUT of the present invention may be 8 MHz or more. To optimize the performance of the ultrasonic transducer, the thickness t of the single
상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 그 하부면에 동일한 형상의 진공 케비티들(122)을 포함한다. 상기 진공 케비티들(122) 각각은 상기 활성 영역들(116)과 서로 마주 보도록 배치된다. 상기 진공 케비티(122)의 높이는 0.1 μm 내지 1 μm일 수 있다. 바람직하게는, 상기 진공 케비티(122)의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm일 수 있다. The single
상기 진공 케비티(122)는 원형, 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 상기 진공 캐비티의 형상은 상기 활성 영역의 형상과 동일할 수 있다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면에서 돌출된 부위는 유리층과 아노딕 본딩을 수행하고 상기 진공 케비티를 지지할 수 있다. 또한, 상기 진공 캐비티(122)의 직경은 상기 활성 영역(116)의 직경과 실질적으로 동일하거나 약간 클 수 있다. 이에 따라, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면에서 돌출된 부위는 상기 트렌치 유리층(112)과 아노딕 본딩하여 지지 부재로 사용될 수 있다. The
상부 전극(136)은 Ti/Au (10nm/100nm)의 적층 구조 또는 Ti/Al(10nm/100nm)일 수 있다. 상기 Ti는 접착층 및 확산 방지층으로 동작할 수 있다. 상기 상부 전극(136)은 상기 진공 케비티(122)에 대응하는 위치마다 상기 진공 케비티(122)과 동일한 크기 혹은 작은 원형으로 배치되고, 서로 배선(136a)을 통하여 서로 연결될 수 있다. 상기 배선(136a)은 매트릭스 형태로 배열된 진공 케비티들(122)의 제1 배열 방향, 상기 제1 배열 방향에 수직한 제2 배열 방향, 및 이들의 대각선 방향으로 연장될 수 있다. 상기 상부 전극(136)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)을 대각선 방향으로 연장되어 상기 주변 영역(118)에 배치된 보조 상부 전극(136b)과 연결될 수 있다. 이러한 상부 전극의 형상은 기생 정전 용량을 감소시킬 수 있다. The
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 상부 전극(136)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 진공 케비티들(122)을 덮는 한 다양한 형태로 변경될 수 있다.According to a modified embodiment of the present invention, the
제1 전극 패드(14)는 상기 실리콘 소자 기판(110)의 주변 영역(118)의 하부면에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 패드(12)는 상기 실리콘 소자 기판(110)의 활성 영역(116)의 하부면에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(14)는 상기 주변 영역(118)을 통하여 상기 상부 전극(136)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 전극 패드(12)는 상기 활성 영역(116)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(14) 및 상기 제2 전극 패드(12)는 Ti/Au의 적층 구조일 수 있다.The
cMUT과 같은 정전용량형 변환자(100)에서 고전압 펄스 신호가 단결정 실리콘 멤브레인(132a)에 가해질 때 정전력(electrostatic force)의 작용으로 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 기계적인 떨림을 초래한다. 즉, 전기 신호는 음압 신호로 변환된다. 상기 음압 신호는 인체 내부를 통과하면서 인체의 여러 조직 층 (layer) 간의 임피던스 (acoustic impedance) 차이에 의해서 일부분의 신호는 다양한 세기의 에코 (echo) 신호로 시간차를 갖고 반사된다. 정전용량형 변환자(100)는 반사 신호를 수신할 수 있다. When a high-voltage pulse signal is applied to the single-
이렇게 반사되어 돌아 온 음압 신호는 정전용량형 변환자(100)에 인가되면, 정전용량형 변환자(100)의 정전용량에 변화를 준다. 상기 정전 용량의 변화는 전기 신호로 다시 변환되어 회로 수신단에 전달이 된다. Analog front end (AFE) integrated circuit (IC)는 미약한 전기 신호를 아날로그 수신단의 저잡음 증폭기와 에코 신호의 시간차에 따라 이득 변환이 가능한 이득 변환 증폭기 (time-to-gain compensation amplifier; TGC)를 통해 증폭된다. 증폭된 신호는 analog-to-digital converter (ADC) 를 거쳐서 디지털 신호처리부로 전달된다. When the negative pressure signal reflected and returned is applied to the
아날로그 회로 기판(20)은 Analog front end (AFE) integrated circuit (IC)을 포함하고, 상기 제1 전극 패드(14) 및 상기 제2 전극 패드(12)를 통하여 AFE-IC에 연결될 수 있다. The
아날로그 회로 기판(20)은 상기 실리콘 소자 기판(120)의 하부에 배치되어 단일칩으로 패키징될 수 있다. The
도 5a 내지 도 5m은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.5A to 5M are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5m을 참조하면, 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판(110)을 패터닝하여 제1 트렌치(143)를 형성하여 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)을 형성하고 상기 제1 트렌치(143) 내에 상기 제1 트렌치(143)보다 더 깊은 제2 트렌치(145)를 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 유리 기판(146)을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치(143) 및 상기 제2 트렌치(145)를 유리층(146a)으로 채워 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 각각 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들(116)을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 노출시키는 단계; 실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판(130)의 단결정 실리콘층(132)을 패터닝하여 상기 활성 영역들(116)에 대응하는 진공 케비티들(122)과 상기 주변 영역(118)에 대응하는 보조 케비티(122a)를 형성하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판(130)의 상기 단결정 실리콘층(132)과 상기 실리콘 소자 기판의 상기 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 아노딕 접합하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판(131a) 및 절연층(131b)을 제거하는 단계; 상기 단결정 실리콘층(132)을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)을 형성하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 상부면을 덮고 상기 주변 영역(118)을 국부적으로 덮는 상부 전극(136)을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드(14)와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드(12)를 형성하는 단계를 포함한다.Referring to FIGS. 5A to 5M , a method of manufacturing the capacitive
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 실리콘 소자 기판(110)을 패터닝하여 제1 트렌치(143)를 형성하여 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)을 형성하고 상기 제1 트렌치(143) 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치(145)를 형성한다. 5A to 5C, the
도 5a를 참조하면, 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제1 트렌치(143)와 식각되지 않은 활성 영역들(116) 및 주변 영역(118)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 소자 기판(110) 상에 제1 식각 마스크(142)가 형성될 수 있다. 상기 제1 식각 마스크(142)는 포토레지스트 패턴일 수 있다. 상기 제1 식각 마스크(142)를 이용하여 이방성 식각하여 제1 트렌치(143)를 형성할 수 있다. 상기 제1 트렌치(143)는 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)을 정의할 수 있다. 복수의 활성영역들(116)은 섬 형태로 서로 이격되고, 상기 주변 영역(118) 내에 배치될 수 있다. 상기 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)은 제1 식각 마스크(142)에 의하여 식각되지 않은 영역일 수 있다. 상기 제1 식각 마스크(142)는 포토레지스트 패턴일 수 있다. 상기 복수의 활성영역들(116)은 매트릭스 형태로 배열되고, 이웃한 활성 영역들(116) 사이의 최소 간격(w)은 0. 5μm 내지 5 μm 일 수 있다. 상기 제1 트렌치(143)의 깊이는 1 μm 내지 10 μm일 수 있다. 이에 따라 낮은 식각 종횡비를 가지며, 식각 형상은 테이퍼링 없이 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5A , an etched
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 상기 제1 식각 마스크(142)를 제거하고, 상기 활성 영역들(116)을 감싸도록 상기 제1 트렌치 상에 제2 트렌치(145)를 형성할 수 있다. 상기 제1 트렌치(143) 내에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제2 트렌치(145)를 형성할 수 있다. 상기 제2 트렌치(145)를 형성하는 제2 식각 마스크(144)는 200 μm 내지 500 μm의 실리콘을 식각하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 제2 식각 마스크(144)는 포토레지스트 패턴 또는 하드 마스크 패턴일 수 있다. 상기 제2 식각 마스크(144)를 사용하여 깊은 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching)을 수행할 수 있다. 상기 제2 트렌치(145)의 식각 종횡비는 10 이상일 수 있다. 상기 제2 트렌치(145)의 테이퍼 각도는 85 도 내지 90도 일 수 있다. Referring to FIGS. 5B and 5C , the
제1 트렌치(143)의 내에 제2 트렌치(145)를 배치하여, 제2 트렌치(145)에서 식각 종횡비는 감소될 수 있다. 또한, 제2 트렌치(145)를 형성하는 과정에서, 제1 트렌치(143)의 대부분은 제2 식각 마스크(144)로 덥혀, 패턴 사이즈에 식각 특성이 의존하는 마이크로로딩 효과가 감소될 수 있다. 상기 제2 트렌치(145)는 보쉬(Bosch) 공정에 의하여 진행될 수 있다. 이중 트렌치 공정에 의하여, 활성 영역들(116) 사이의 좁은 간격이 확보되고, 채널간 분리를 수행할 수 있다. 이어서, 상기 제2 식각 마스크(144)는 제거될 수 있다.By disposing the
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제1 마스크로 깊은 트렌치(200μm~500μm)를 먼저 형성하고, 제2 마스크로 깊은 트렌치와 얇은 트렌치(1μm~10μm)를 동시에 식각하는 이중 트렌치 공정이 수행될 수 있다. According to a modified embodiment of the present invention, a double trench process is performed in which a deep trench (200 μm to 500 μm) is first formed with a first mask and the deep trench and thin trench (1 μm to 10 μm) are simultaneously etched with a second mask. can
도 5d 및 도 5e를 참조하면, 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 유리 기판(146)을 배치하고 리플로우(reflow)하여 상기 제1 트렌치(143) 및 상기 제2 트렌치(145)를 유리층(146a)으로 채워 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(114)을 각각 형성한다. 유리 기판(146)은 붕규산 유리(borosilicated glass)일 수 있다. 상기 유리 기판(146)은 상기 실리콘 소자 기판(110)과 고진공 상태에서 접합할 수 있다. 이어서, 본딩된 실리콘-유리 기판은 섭씨 500도 이상의 가열로(furnace)에서 리플로우(reflow) 공정을 진행할 수 있다. 이에 따라, 유리 기판(146)은 상기 제1 트렌치(143) 및 상기 제2 트렌치(145)를 채울 수 있다. 상기 제1 트렌치(143)는 유리층에 의하여 채워져 상기 트렌치 유리층(114)를 형성하고, 상기 제2 트렌치(145)는 유리층에 의하여 채워져 관통 트렌치 유리층(112)을 형성할 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)은 평면도 상에 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114) 내에 복수의 활성 영역들(116)이 서로 이격되어 배열될 수 있다. 상기 관통 트렌치 유리층(112)은 상기 트렌치 유리층(114)의 외곽에 배치된다.5D and 5E, a
도 5f를 참조하면, 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들(116) 및 주변 영역(118)을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 노출시킨다. 상기 평탄화 공정 및 상기 연마 공정은 화학 기계 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정에 의하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 각 채널은 서로 전기적으로 분리된다. 상기 CMP 공정은 표면에 물질에 따른 표면 단차를 제공할 수 있다.Referring to FIG. 5F, the upper surface of the
도 5g 및 도 5h를 참조하면, 실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 단결정 실리콘층(132)을 패터닝하여 상기 활성 영역들(116)에 대응하는 진공 케비티들(122)과 상기 주변 영역(118)에 대응하는 보조 케비티(122a)를 형성한다. 보조 케비티(122a)는 CMP 공정은 표면에 물질에 따른 표면 단차에 의한 접합 불량을 억제할 수 있다.5G and 5H, vacuum cavities corresponding to the
단결정 실리콘층(132)은 두께(t)는 1 μm 내지 2.0 μm일 수 있다. 단결정 실리콘층은 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 상기 절연층(131a)은 실리콘산화막일 수 있다. 단결정 실리콘층(132)의 패터닝 깊이는 진공 케이비티(122)의 높이에 대응하고, 0.3 μm 내지 0.8 μm일 수 있다. 상기 진공 케비티(122)는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm일 수 있다. 진공 케비티(122)는 상기 활성 영역(116)보다 약간 크게 형성되고, 상기 활성 영역(116)과 수직으로 정렬되도록 배열될 수 있다. 보조 케비티(122a)는 상기 주변 영역(118) 상에 배치된다. 상기 보조 캐비티(122a)는 아노딕 본딩시 표면 단차에 의한 오정렬을 억제할 수 있다.The single
도 5i를 참조하면, 상기 진공 케비티들(122) 각각에 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면에 단락 방지 절연층(123)을 형성한다. 상기 단락 방지 절연층(123)의 두께는 100nm 내지 200 nm일 수 있다. 상기 단락 방지 절연층(123)은 상기 단결정 실리콘층(132)이 불순물로 도핑된 경우 단결정 실리콘 맴브레인(132a)과 활성 영역(116)의 단락을 방지한다. 상기 단락 방지 절연층(123)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 단락 방지 절연층(123)은 증착과 식각 패터닝 공정에 의하여 수행되거나, 마스크를 사용한 선택적 산화공정을 통하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5I , a short circuit
도 5j를 참조하면, 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판(130)의 상기 단결정 실리콘층(132)과 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상기 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 아노딕 접합한다. 아노딕 접합은 진공 용기 내에서 섭씨 200도 이상의 고온에서 전기장과 압력을 인가하여 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 단결정 실리콘층(132)은 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상기 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)과 Na 이온의 이동에 의하여 서로 아노딕 접합(anodic bonding)될 수 있다. 상기 아노딕 본딩은 표면의 청결 상태 및 평판도에 의존하지 않고 안정적인 접합을 제공할 수 있다. Referring to FIG. 5J , the single
도 5k를 참조하면, 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판(130)의 실리콘 기판(131a) 및 절연층(131b)을 제거한다. 상기 실리콘 기판(131a)은 실리콘 연마 및 화학적 식각에 의하여 제거될 수 있다. 또한, 절연층(131b)은 반응성 이온 식각에 의하여 제거될 수 있다. Referring to FIG. 5K , the
도 5l를 참조하면, 상기 단결정 실리콘층(132)을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)을 형성한다. 상기 단결정 실리콘층(132)의 절단은 반응성 이온 식각에 의하여 보조 케비티(122a)를 제거하도록 수행될 수 있다. 상기 단결정 실리콘층(132)은 상기 보조 케비티(122a)를 제거하도록 절단되어 상기 관통 트렌치 유리층(112)과 실질적으로 정렬될 수 있다. Referring to FIG. 5L , the single
도 5m을 참조하면, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 상부면을 덮고 상기 주변 영역(118)을 국부적으로 덮는 상부 전극(136)을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면에 상기 주변 영역(118)에 대응하는 위치에 제1 전극 패드(14)와 상기 활성 영역들(116)에 대응하는 위치에 제2 전극 패드(12)를 형성한다. 상기 상부 전극(136)은 Ti/Au (10nm/100nm)의 적층 구조 또는 Ti/Al(10nm/100nm)일 수 있다. 상기 상부 전극(136)은 도전층의 증착 후 패터닝되어 형성될 수 있다. 제1 전극 패드(14) 및 제2 전극 패드(12)는 도전층의 증착 후 패터닝되어 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 패드(14) 및 제2 전극 패드(12)는 Ti/Au일 수 있다.Referring to FIG. 5M , an
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of a capacitive ultrasonic transducer element according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 정전용량형 초음파 변환자 소자(100a)는, 실리콘 소자 기판(110); 상기 실리콘 기판(110) 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인(132a); 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a) 상에 배치된 상부 전극(136); 및 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면에 배치된 제1 전극 패드(14) 및 제2 전극 패드(12)를 포함한다. 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)는 단결정 실리콘 멤브레인의 진동에 의하여 초음파를 발생시킨다.Referring to FIG. 6 , the capacitive
상기 실리콘 소자 기판(110)은, 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들(116); 상기 실리콘 소자 기판(110)에 매립되어 상기 활성 영역들(116)을 서로 분리시키는 트렌치 유리층(114); 상기 트렌치 유리층(114)을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판(110)을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층(112); 및 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 감싸도록 배치된 주변 영역(118);을 포함한다. 정전용량형 초음파 변환자 소자(100)의 활성 영역들(116)은 하부 전극으로 동작한다.The
상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 덮도록 배치되고 상기 활성 영역들(116)과 정렬되는 복수의 진공 케비티들(122)을 포함한다. 복수의 진공 케비티들(122)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)의 하부면이 함몰되어 형성된다. 상기 상부 전극(136)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a) 상에서 상기 주변 영역(132)으로 연장되고 상기 주변 영역(132)을 통하여 상기 제1 전극 패드(14)와 전기적으로 연결된다. 상기 활성 영역들(116)은 상기 제2 전극 패드(12)와 전기적으로 연결된다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(132a)은 단결정 실리콘으로 불순물로 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다.The single
상기 활성 영역들(116) 각각은 그 상부면에 단락 방지 절연층(116a)을 더 포함한다. 상기 단락 방지 절연층(116a)의 두께는 100nm 내지 200 nm이고, 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 단락 방지 절연층(116a)은 실리콘 산화막일 수 있다.Each of the
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of a capacitive ultrasonic transducer element according to another embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 정전용량형 초음파 변환자 소자(200)는, 실리콘 소자 기판(110); 상기 실리콘 기판(110) 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인(232a); 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a) 상에 배치된 상부 전극(136); 및 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면에 배치된 제1 전극 패드(14) 및 제2 전극 패드(12)를 포함한다. 정전용량형 초음파 변환자 소자(200)는 단결정 실리콘 멤브레인(232a)의 진동에 의하여 초음파를 발생시킨다.Referring to FIG. 7 , the capacitive
상기 실리콘 소자 기판(110)은, 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 하부 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들(116); 상기 실리콘 소자 기판(110)에 매립되어 상기 활성 영역들(116)을 서로 분리시키는 트렌치 유리층(114); 상기 트렌치 유리층(114)을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판(110)을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층(112); 및 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 감싸도록 배치된 주변 영역(118)을 포함한다. The
상기 활성 영역들(116)의 상부면은 상기 트렌치 유리층(114)의 상부면보다 낮도록 형성되고, 복수의 진공 케비티들(222)은 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)과 상기 활성 영역들(116) 사이에 형성된다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)은 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 덮도록 배치된다. 상기 상부 전극(136)은 상기 주변 영역(118)으로 연장되고 상기 주변 영역(118)을 통하여 상기 제1 전극 패드(14)와 전기적으로 연결된다. 상기 활성 영역들(116)은 상기 제2 전극 패드(12)와 전기적으로 연결된다.Top surfaces of the
상기 트렌치 유리층(114) 및 상기 관통 트렌치 유리층(112)은 상기 실리콘 소자 기판(110) 사이에 확산방지를 위한 확산 방지층(245)을 더 포함할 수 있다. 상기 확산 방지층(245)은 실리콘 산화막 또는 알루미늄 산화막일 수 있다. 상기 확산 방지층(245)은 제1 트렌치(143) 및 제2 트렌치(146)의 측면 및 하부면에 배치될 수 있다. 상기 확산 방지층(245)은 원자층 증착 공정에 의하여 형성될 수 있다. 상기 확산 방지층(245)은 상기 유리층의 금속 원자가 상기 실리콘 소자 기판으로 확산을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 활성 영역들의 불순물 농도 분포는 안정적으로 유지될 수 있다.The
상기 활성 영역들(116)과 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a) 사이의 공간은 진공 케비티(222)를 형성한다. 상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.5 μm일 수 있다. 상기 진공 케비티(222)는 원형이고, 직경은 10μm 내지 50 μm일 수 있다. 상기 트렌치 유리층(114)의 두께는 1 μm 내지 10 μm일 수 있다. 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm일 수 있다. 상기 실리콘 소자 기판(110)의 두께는 200 μm 내지 500 μm일 수 있다. 이웃한 활성 영역들(116) 사이의 최소 간격(w)은 0.5μm 내지 5 μm일 수 있다.A space between the
도 8a 내지 도 8h은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.8A to 8H are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element according to an embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5m, 및 도 8a 내지 도 8h을 참조하면, 정전용량형 초음파 변환자 소자(200)의 제조 방법은, 실리콘 소자 기판(110)을 패터닝하여 제1 트렌치(143)를 형성하여 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)을 형성하고 및 상기 제1 트렌치(143) 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치(145)를 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 유리 기판을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치(143) 및 상기 제2 트렌치(145)를 유리층(146a)으로 채워 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 각각 형성하는 단계; 상기 실리콘 소자 기판(110)의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들(116) 및 상기 주변 영역(118)을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 노출시키는 단계; 상기 활성 영역들(116)과 상기 주변 영역(118)을 리세스 식각하여 진공 케비티(222) 및 보조 진공 케비티(222a)를 형성하는 단계; 실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판(230)의 상기 단결정 실리콘층(232)과 상기 실리콘 소자 기판(120)의 상기 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 아노딕 접합하는 단계; 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판(231b) 및 절연층(231a)을 제거하는 단계; 상기 단결정 실리콘층(232)을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)을 형성하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 국부적으로 덮는 상부 전극(136)을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판(120)의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드(14)와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드(12)를 형성하는 단계를 포함한다.Referring to FIGS. 5A to 5M and FIGS. 8A to 8H , a method of manufacturing a capacitive
다시, 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 실리콘 소자 기판(110)을 패터닝하여 제1 트렌치(143)를 형성하여 복수의 활성영역들(116) 및 주변 영역(118)을 형성하고 및 상기 제1 트렌치(143) 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치(145)를 형성한다. Again, referring to FIGS. 5A to 5C , the
도 8a를 참조하면, 상기 제1 트렌치(143) 및 상기 제2 트렌치(145)의 측면 및 하부면을 덮는 확산 방지층(245)이 증착될 수 있다. 상기 확산 방지층(245)은 실리콘 산화막 또는 알루미늄 산화막일 수 있다. 상기 확산 방지층(245)의 두께는 수 nm 내지 수백 nm일 수 있다.Referring to FIG. 8A , a
도 8b를 참조하면, 상기 실리콘 소자 기판(110) 상에 유리 기판을 이용하여 리플로우하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 유리층(146a)으로 채워 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(114)을 각각 형성할 수 있다.Referring to FIG. 8B , the
도 8c를 참조하면, 상기 실리콘 소자 기판(120)의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들(116) 및 상기 주변 영역(118)을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판(110)의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층(112)을 노출시킬 수 있다. Referring to FIG. 8C , the upper surface of the silicon device substrate 120 is planarized to expose the
도 8d를 참조하면, 상기 활성 영역들(116)과 상기 주변 영역(118)을 리세스 식각하여 진공 케비티(222) 및 보조 진공 케비티(222a)를 형성할 수 있다. 상기 리세스 식각은 습식 식각 또는 건식 식각일 수 있다. 상기 리세스 식각의 깊이는 0.1μm 내지 0.5 μm일 수 있다. 이에 따라, 상기 진공 케비티(22)의 높이는 0.1μm 내지 0.5 μm일 수 있다.Referring to FIG. 8D , a
도 8e 및 도 8f를 참조하면, 실리콘 기판(231b)/절연층(231a)/단결정 실리콘층(232)을 포함한 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI, 230) 기판의 상기 단결정 실리콘층(232)과 상기 실리콘 소자 기판(120)의 상기 트렌치 유리층(114) 및 관통 트렌치 유리층(112)을 아노딕 접합한다.Referring to FIGS. 8E and 8F , the single
단락 방지 절연층(223)은 상기 진공 케비티들(222) 각각에 대응하는 위치에서 단결정 실리콘층(232) 상에 형성된다. 상기 단락 방지 절연층(223)의 두께는 100nm 내지 200 nm일 수 있다. 상기 단락 방지 절연층(223)은 상기 단결정 실리콘층(232)이 불순물로 도핑된 경우 단결정 실리콘 맴브레인(232a)과 활성 영역(116)의 단락을 방지한다. 단락 방지 절연층(223)은 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 단락 방지 절연층(223)은 증착과 식각 패터닝 공정에 의하여 수행되거나, 마스크를 사용한 선택적 산화공정을 통하여 형성될 수 있다.An anti-short
도 8g를 참조하면, 상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판 및 절연층을 제거한다.Referring to FIG. 8G , the silicon substrate and the insulating layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate are removed.
도 8h를 참조하면, 상기 단결정 실리콘층(232)을 절단하여 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)을 형성한다. Referring to FIG. 8H , the single
이어서, 상기 단결정 실리콘 멤브레인(232a)의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 국부적으로 덮는 상부 전극(136)을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드(14)와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드(12)를 형성한다.Next, an
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 단락 방지 절연층(223)은 활성 영역 상에 형성될 수 있다.According to a modified embodiment of the present invention, the short circuit
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.Although the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and the technical idea of the present invention claimed in the claims by those skilled in the art to which the present invention belongs It includes all of the various forms of embodiments that can be practiced within the scope of not departing from.
110: 실리콘 소자 기판
112: 관통 트렌치 유리층
114: 트렌치 유리층
116: 활성 영역들
118: 주변 영역
122: 진공 케비티
132a: 단결정 실리콘 멤브레인
136: 상부 전극110: silicon element substrate
112: through trench glass layer
114: trench glass layer
116 Active areas
118 Peripheral area
122: vacuum cavity
132a single crystal silicon membrane
136: upper electrode
Claims (20)
상기 실리콘 소자 기판 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인;
상기 단결정 실리콘 멤브레인 상에 배치된 상부 전극; 및
상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 배치된 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 포함하고,
상기 실리콘 소자 기판은:
상기 실리콘 소자 기판의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들;
상기 실리콘 소자 기판에 매립되어 상기 활성 영역들을 서로 분리시키는 트렌치 유리층;
상기 트렌치 유리층을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층; 및
상기 관통 트렌치 유리층을 감싸도록 배치된 주변 영역;을 포함하고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 실리콘 소자 기판의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층을 덮도록 배치되고 상기 활성 영역들과 정렬되는 복수의 진공 케비티들을 포함하고,
상기 복수의 진공 케비티들은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면이 함몰되어 형성되고,
상기 상부 전극은 상기 주변 영역으로 연장되고 상기 주변 영역을 통하여 상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결되고,
상기 활성 영역들은 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.a silicon device substrate;
a single crystal silicon membrane disposed on the silicon element substrate;
an upper electrode disposed on the single crystal silicon membrane; and
A first electrode pad and a second electrode pad disposed on a lower surface of the silicon element substrate,
The silicon device substrate is:
a plurality of active regions arranged in a matrix form on the silicon element substrate and operating as electrodes;
a trench glass layer buried in the silicon device substrate to separate the active regions from each other;
a through trench glass layer disposed to surround the trench glass layer and disposed to pass through the silicon device substrate; and
A peripheral region disposed to surround the through trench glass layer; includes;
the single crystal silicon membrane includes a plurality of vacuum cavities disposed on an upper surface of the silicon device substrate to cover the through trench glass layer and aligned with the active regions;
The plurality of vacuum cavities are formed by recessing the lower surface of the single crystal silicon membrane,
The upper electrode extends into the peripheral region and is electrically connected to the first electrode pad through the peripheral region,
The active regions are capacitive ultrasonic transducer elements, characterized in that electrically connected to the second electrode pad.
상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 관통 트렌치 유리층 및 상기 트렌치 유리층과 아노딕 본딩되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
The capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the single crystal silicon membrane is anodic bonded to the through trench glass layer and the trench glass layer.
상기 트렌치 유리층의 두께는 1 μm 내지 10 μm 이고,
상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm 이고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm 이고,
상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm 이고,
상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
The thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm ,
The height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm ,
The thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm ,
The thickness of the silicon device substrate is 200 μm to 500 μm ,
The vacuum cavity is circular and has a diameter of 10 μm to 50 μm ,
A capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
상기 진공 케비티들 각각은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면에 단락 방지 절연층을 더 포함하고,
상기 단락 방지 절연층의 두께는 100nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
Each of the vacuum cavities further includes an anti-short insulating layer on a lower surface of the single crystal silicon membrane;
The capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the thickness of the short-circuit preventing insulating layer is 100nm to 200nm.
상기 활성 영역들 각각은 그 상부면에 단락 방지 절연층을 더 포함하고,
상기 단락 방지 절연층의 두께는 100nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
Each of the active regions further includes an anti-short insulating layer on an upper surface thereof;
The capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the thickness of the short-circuit preventing insulating layer is 100nm to 200nm.
상기 관통 트렌치 유리층의 폭은 20 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
The width of the through trench glass layer is 20 μm to 50 μm ,
A capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층은 상기 실리콘 소자 기판과 확산방지를 위한 확산 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 1,
The capacitive type ultrasonic transducer element, characterized in that the trench glass layer and the through-trench glass layer further include the silicon element substrate and a diffusion prevention layer for diffusion prevention.
상기 실리콘 소자 기판 상에 유리 기판을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 유리층으로 채워서 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 각각 형성하는 단계;
상기 실리콘 소자 기판의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층을 노출시키는 단계;
실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 단결정 실리콘층을 패터닝하여 상기 활성 영역들에 대응하는 진공 케비티들과 상기 주변 영역에 대응하는 보조 케비티를 형성하는 단계;
상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 상기 단결정 실리콘층과 상기 실리콘 소자 기판의 상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층을 아노딕 접합하는 단계;
상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판 및 절연층을 제거하는 단계;
상기 단결정 실리콘층을 절단하여 단결정 실리콘 멤브레인을 형성하는 단계; 및
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 덮는 상부 전극을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.patterning the silicon device substrate to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and forming a second trench deeper than the first trench within the first trench;
disposing a glass substrate on the silicon device substrate and performing reflow to fill the first trench and the second trench with a glass layer to form a trench glass layer and a through-trench glass layer, respectively;
planarizing an upper surface of the silicon device substrate to expose the active regions and polishing a lower surface of the silicon device substrate to expose the through trench glass layer;
Forming vacuum cavities corresponding to the active regions and auxiliary cavities corresponding to the peripheral region by patterning a single crystal silicon layer of a silicon on insulator (SOI) substrate including a silicon substrate/insulation layer/single crystal silicon layer. ;
anodic bonding the single crystal silicon layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate to the trench glass layer and the through-trench glass layer of the silicon device substrate;
removing a silicon substrate and an insulating layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate;
cutting the single crystal silicon layer to form a single crystal silicon membrane; and
An upper electrode covering an upper surface of the single crystal silicon membrane and covering the peripheral region is formed, and a first electrode pad is formed on a lower surface of the silicon element substrate at a position corresponding to the peripheral region and at a position corresponding to the active regions. A method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element, comprising the step of forming a second electrode pad.
실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 및 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계는:
상기 실리콘 소자 기판 상에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제1 트렌치와 식각되지 않은 활성 영역들 및 주변 영역을 형성하는 단계; 및
상기 제1 트렌치 내에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제2 트렌치를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.According to claim 8,
Patterning the silicon device substrate to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and forming a second trench deeper than the first trench in the first trench includes:
forming an etched first trench and unetched active regions and peripheral regions on the silicon device substrate through a patterning process; and
Forming a second trench etched through a patterning process in the first trench; manufacturing method of a capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that it comprises a.
상기 트렌치 유리층의 두께는 1 μm 내지 10 μm 이고,
상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm 이고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm 이고,
상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm 이고,
상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.According to claim 8,
The thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm ,
The height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm ,
The thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm ,
The thickness of the silicon device substrate is 200 μm to 500 μm ,
The vacuum cavity is circular and has a diameter of 10 μm to 50 μm ,
A method for manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
상기 실리콘 소자 기판 상에 배치된 단결정 실리콘 멤브레인;
상기 단결정 실리콘 멤브레인 상에 배치된 상부 전극; 및
상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 배치된 제1 전극 패드 및 제2 전극 패드를 포함하고,
상기 실리콘 소자 기판은:
상기 실리콘 소자 기판의 상부에 매트릭스 형태로 배열되고 전극으로 동작하는 복수의 활성 영역들;
상기 실리콘 소자 기판에 매립되어 상기 활성 영역들 서로 분리시키는 트렌치 유리층;
상기 트렌치 유리층을 감싸도록 배치되고 상기 실리콘 소자 기판을 관통하여 배치된 관통 트렌치 유리층; 및
상기 관통 트렌치 유리층을 감싸도록 배치된 주변 영역;을 포함하고,
상기 활성 영역들의 상부면은 상기 트렌치 유리층의 상부면보다 낮도록 형성되고,
복수의 진공 케비티들은 상기 단결정 실리콘 멤브레인과 상기 활성 영역들 사이에 형성되고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 실리콘 소자 기판의 상부면 상에 상기 관통 트렌치 유리층을 덮도록 배치되고,
상기 상부 전극은 상기 주변 영역으로 연장되고 상기 주변 영역을 통하여 상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결되고,
상기 활성 영역들은 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.a silicon device substrate;
a single crystal silicon membrane disposed on the silicon element substrate;
an upper electrode disposed on the single crystal silicon membrane; and
A first electrode pad and a second electrode pad disposed on a lower surface of the silicon element substrate,
The silicon device substrate is:
a plurality of active regions arranged in a matrix form on the silicon element substrate and operating as electrodes;
a trench glass layer buried in the silicon device substrate to separate the active regions from each other;
a through trench glass layer disposed to surround the trench glass layer and disposed to pass through the silicon device substrate; and
A peripheral region disposed to surround the through trench glass layer; includes;
Top surfaces of the active regions are formed to be lower than top surfaces of the trench glass layer;
A plurality of vacuum cavities are formed between the single crystal silicon membrane and the active regions;
the single crystal silicon membrane is disposed on an upper surface of the silicon element substrate to cover the through trench glass layer;
The upper electrode extends into the peripheral region and is electrically connected to the first electrode pad through the peripheral region,
The active regions are capacitive ultrasonic transducer elements, characterized in that electrically connected to the second electrode pad.
상기 단결정 실리콘 멤브레인은 상기 관통 트렌치 유리층 및 상기 트렌치 유리층과 아노딕 본딩되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
The capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the single crystal silicon membrane is anodic bonded to the through trench glass layer and the trench glass layer.
상기 트렌치 유리층의 깊이는 1 μm 내지 10 μm 이고,
상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm 이고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두꼐는 0.5 μm 내지 2 μm 이고,
상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm 이고,
상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
The depth of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm ,
The height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm ,
The thickness of the monocrystalline silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm ,
The thickness of the silicon device substrate is 200 μm to 500 μm ,
The vacuum cavity is circular and has a diameter of 10 μm to 50 μm ,
A capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
상기 진공 케비티들 각각은 상기 단결정 실리콘 멤브레인의 하부면에 단락 방지 절연층을 더 포함하고,
상기 단락 방지 절연층은 2nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
Each of the vacuum cavities further includes an anti-short insulating layer on a lower surface of the single crystal silicon membrane;
The capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the short-circuit preventing insulating layer is 2nm to 200nm.
상기 활성 영역들 각각은 그 상부면에 절연층을 더 포함하고,
상기 절연층은 100nm 내지 200 nm인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
Each of the active regions further includes an insulating layer on an upper surface thereof;
The insulating layer is a capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that 100nm to 200nm.
상기 관통 트렌치 유리층의 폭은 20 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
The width of the through trench glass layer is 20 μm to 50 μm ,
A capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
상기 트렌치 유리층 및 상기 관통 트렌치 유리층은 상기 실리콘 소자 기판과 확산방지를 위한 확산 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자.According to claim 11,
The capacitive type ultrasonic transducer element, characterized in that the trench glass layer and the through-trench glass layer further include the silicon element substrate and a diffusion prevention layer for diffusion prevention.
상기 실리콘 소자 기판 상에 유리 기판을 배치하고 리플로우하여 상기 제1 트렌치 및 상기 제2 트렌치를 유리층으로 채워 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 각각 형성하는 단계;
상기 실리콘 소자 기판의 상부면을 평탄화하여 상기 활성 영역들 및 상기 주변 영역을 노출하고 상기 실리콘 소자 기판의 하부면을 연마하여 상기 관통 트렌치 유리층을 노출시키는 단계;
상기 활성 영역들과 상기 주변 영역을 리세스하여 진공 케비티 및 보조 진공 케비티를 형성하는 단계;
실리콘 기판/절연층/단결정 실리콘층을 포함한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 상기 단결정 실리콘층과 상기 실리콘 소자 기판의 상기 트렌치 유리층 및 관통 트렌치 유리층을 아노딕 접합하는 단계;
상기 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판의 실리콘 기판 및 절연층을 제거하는 단계;
상기 단결정 실리콘층을 절단하여 단결정 실리콘 멤브레인을 형성하는 단계; 및
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 상부면을 덮고 상기 주변 영역을 국부적으로 덮는 상부 전극을 형성하고, 상기 실리콘 소자 기판의 하부면에 상기 주변 영역에 대응하는 위치에 제1 전극 패드와 상기 활성 영역들에 대응하는 위치에 제2 전극 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.patterning the silicon device substrate to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and forming a second trench deeper than the first trench within the first trench;
disposing a glass substrate on the silicon device substrate and performing reflow to fill the first trench and the second trench with a glass layer to form a trench glass layer and a through-trench glass layer, respectively;
planarizing an upper surface of the silicon device substrate to expose the active regions and the peripheral region and polishing a lower surface of the silicon device substrate to expose the through trench glass layer;
forming a vacuum cavity and an auxiliary vacuum cavity by recessing the active regions and the peripheral region;
anodic bonding the single crystal silicon layer of a silicon on insulator (SOI) substrate including a silicon substrate/insulation layer/single crystal silicon layer and the trench glass layer and through trench glass layer of the silicon device substrate;
removing a silicon substrate and an insulating layer of the silicon-on-insulator (SOI) substrate;
cutting the single crystal silicon layer to form a single crystal silicon membrane; and
An upper electrode covering an upper surface of the single crystal silicon membrane and locally covering the peripheral region is formed, and a first electrode pad is formed on a lower surface of the silicon element substrate at a position corresponding to the peripheral region and a first electrode pad corresponding to the active regions is formed. A method for manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element comprising the step of forming a second electrode pad at a position.
실리콘 소자 기판을 패터닝하여 제1 트렌치를 형성하여 복수의 활성영역들 및 주변 영역을 형성하고 및 상기 제1 트렌치 내에 상기 제1 트렌치보다 더 깊은 제2 트렌치를 형성하는 단계는:
상기 실리콘 소자 기판 상에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제1 트렌치와 식각되지 않은 활성 영역들 및 주변 영역을 형성하는 단계; 및
상기 제1 트렌치 내에 패터닝 공정을 통하여 식각된 제2 트렌치를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.According to claim 18,
Patterning the silicon device substrate to form a first trench to form a plurality of active regions and a peripheral region, and forming a second trench deeper than the first trench in the first trench includes:
forming an etched first trench and unetched active regions and peripheral regions on the silicon device substrate through a patterning process; and
Forming a second trench etched through a patterning process in the first trench; manufacturing method of a capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that it comprises a.
상기 트렌치 유리층의 두께는 1 μm 내지 10 μm 이고,
상기 진공 케비티의 높이는 0.1 μm 내지 0.8 μm 이고,
상기 단결정 실리콘 멤브레인의 두께는 0.5 μm 내지 2 μm 이고,
상기 실리콘 소자 기판의 두께는 200 μm 내지 500 μm 이고,
상기 진공 케비티는 원형이고, 직경은 10 μm 내지 50 μm 이고,
이웃한 활성 영역들 사이의 최소 간격은 0.5 μm 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는 정전용량형 초음파 변환자 소자의 제조 방법.According to claim 18,
The thickness of the trench glass layer is 1 μm to 10 μm ,
The height of the vacuum cavity is 0.1 μm to 0.8 μm ,
The thickness of the single crystal silicon membrane is 0.5 μm to 2 μm ,
The thickness of the silicon device substrate is 200 μm to 500 μm ,
The vacuum cavity is circular and has a diameter of 10 μm to 50 μm ,
A method for manufacturing a capacitive ultrasonic transducer element, characterized in that the minimum distance between adjacent active regions is 0.5 μm to 5 μm .
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