KR20090031240A - 다층 전극을 구비한 마이크로가공 음향 트랜스듀서 - Google Patents

다층 전극을 구비한 마이크로가공 음향 트랜스듀서 Download PDF

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KR20090031240A
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폴 에이. 와그너
이갈 라다바움
케시 잭슨
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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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Abstract

용량성 막조직(14) 초음파 트랜스듀서에서, 하나 이상의 전극들(18, 20)은 도전성 또는 반도체 재료의 다중 층들(22, 24)을 포함한다. 상기 층들(22, 24)은 전기적 저하를 감소시키기 위하여 장치에서 절연체(28, 14) 또는 캐비티(16)에 인접하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 낮은 일 함수 및 낮은 저항을 가진 도전성 층(22)이 높은 일 함수 및 높은 저항을 가진 도전성 층(24)에 의해 절연체(28, 14)로부터 이격된다. 전극 재료의 상이한 층들(22, 24)은 사용된 재료의 타입 및 관련 위치로 인하여 낮은 전기적 저하를 제공할 수 있다.

Description

다층 전극을 구비한 마이크로가공 음향 트랜스듀서{A MICROFABRICATED ACOUSTIC TRANSDUCER WITH A MULTILAYER ELECTRODE}
본 발명은 용량성 막조직 초음파 트랜스듀서(CMUT: capacitive membrane ultrasonic transducer)에 관한 것이다. 특히, 전극 구조들이 CMUT에 제공된다.
전형적인 1D 또는 2D 초음파 트랜스듀서는 수백 개 또는 심지어 수천 개의 개별 트랜스듀서 엘리먼트들을 포함한다. CMUT를 위하여, 복수 개(예를 들어, 수십 개, 수백 개 또는 수천 개)의 셀들이 단일 엘리먼트를 형성하기 위하여 함께 사용될 수도 있다.
CMUT의 셀은 전형적으로 막조직(membrane)에 의해 커버되는 보이드(진공 갭)를 갖는다. 하나의 전극은 막조직 상에 또는 막조직 내부에 배치되고, 또 다른 전극은 보이드의 기저에 배치된다. 전극들은 보이드에 노출되거나, 전기적 절연체에 의해 보이드로부터 분리될 수도 있다. 음향 에너지를 생성하기 위하여, DC 바이어스 및 전기적 가변 신호가 전극들 양단에 인가되어, 막조직이 굴곡되게 한다. 전기 에너지를 생성하기 위하여, 막조직의 음향적으로 유도된 굴곡은 2개의 전극들 사이에 차동 전기 신호(differential electrical signal)를 생성한다.
매우 큰 전계들은 CMUT가 압전 트랜스듀서와 같은 정도의 전달 압력들을 생성하도록 진공 갭들 양단에 유지된다. 예를 들어, 10 MHz에서 1.5 메가 파스칼(Mega Pascal) 출력 압력들을 얻기 위하여 미터 당 12억-13억 볼트가 요구된다. 이러한 높은 전계들에 노출될 때, 절연체들은 그들의 절연 특성을 잃어 버리고 전류를 누설하기 시작할 수 있다. 절연체 쪽으로 전달되어 포획되거나 절연체 표면으로부터 방출되어 대향하는 절연체를 가격하는 전자들은 갭의 전계를 변화시킬 수 있다. 변화된 전계는 시간이 흐름에 따라 CMUT 음향 성능을 악화시킬 수 있다.
역사적으로, 하나의 절연체 또는 2개의 절연체가 부분적으로 또는 완전히 제거되거나 제공되지 않는 경우, 시간에 따른 충전 저하(charging degradation)를 막기 위한 시도들은 CMUT에 초점이 맞춰져 왔다. 도전성 전극들은 캐비티에 노출된다. 인가된 전계가 노출된 도전성 표면들에 대한 전계 방출의 임계치 아래인 한, 이러한 CMUT 구조들은 절연된 CMUT보다 시간에 따라 더 적은 충전 저하를 경험한다. 그러나 전기적 비대칭성은 바이폴라 응용예들에서의 사용을 제한할 수 있다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 단락이 증가할 수도 있고, 그리하여 소자 수율을 감소시키고 환자의 안전성 염려를 증가시킬 수 있다.
도입부로서, 이하에서 기술된 실시예들은 전기 에너지와 음향 에너지 사이의 변환을 위한, 그리고 트랜스듀서를 형성하기 위한 방법, 트랜스듀서 및 시스템을 포함한다. 하나 이상의 전극들은 도전체 또는 반도체 재료로 이루어진 다수 층들을 포함한다. 상기 층들은 절연체 또는 장치의 캐비티에 인접하게 배치되어 전기적 저하를 감소시킨다. 예를 들어, 더 적은 일 함수 및 더 적은 저항을 가진 도전성 층은 더 큰 일 함수 및 더 큰 저항을 가진 도전성 층에 의해 절연체로부터 이격된다. 사용된 재료의 타입 및 관련 위치로 인하여, 전극 재료의 상이한 층들은 시간에 따른 더 적은 전기적 저하를 위하여 제공될 수 있다.
제 1 태양에서, 막조직 초음파 트랜스듀서는 전기 에너지와 음향 에너지 사이의 변환을 위하여 제공된다. 막조직은 기판 상에 지지된다. 캐비티는 기판으로부터 막조직을 분리시킨다. 제 1 전극은 제 2 전극에 대향하는 캐비티의 측면 상에 있다. 제 1 절연층은 제 1 전극을 캐비티로부터 분리시킨다. 제 1 전극은 서로 옴 접촉(ohmic contact)하는 적어도 2개의 도전성 층 또는 반도체 층을 갖는다.
제 2 태양에서, 용량성 막조직 초음파 트랜스듀서를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 유연성 있는 구조물이 보이드 위에 형성된다. 전극들이 보이드의 대향 측면들 상에 형성된다. 제 1 전극은 유연성 있는 구조물에 인접하다. 전극들 중 적어도 하나를 형성하기 위하여, 적어도 2개의 상이한 도전체들이 절연층에 인접하여 층으로 놓인다.
제 3 태양에서, 용량성 막조직 초음파 트랜스듀서는 전기 에너지와 음향 에 너지 간의 변환을 위하여 제공된다. 트랜스듀서는 캐비티 및 제 1 절연체에 의해 캐비티로부터 분리된 제 1 전극을 포함한다. 제 1 전극은 2 이상의 상이한 도전성 또는 반도체 막들의 스택이고, 상기 2 이상의 상이한 막들 중 단지 하나만이 CMUT 장치의 높은 전계 영역 내에서 절연체와 주된 물리적 접촉을 한다.
본 발명은 이하의 청구범위에 의해 정의되고, 본 섹션의 어떠한 것도 청구범위에 대한 제한으로서 간주되어서는 안 된다. 본 발명의 부가 태양 및 이점들이 바람직한 실시예와 결부되어 이하에서 논의된다. 여기서 또는 이하에서 논의되는 태양들 또는 다른 특징들은 이후에 독립적으로 또는 본 발명과 결합하여 청구될 수 있다.
컴포넌트들 및 도면들이 반드시 척도에 맞는 것은 아니고, 대신 본 발명의 원리들을 나타내는 것이 강조되었다. 더욱이, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 상이한 시점들에 대해 대응 부분을 나타낸다.
CMUT 구조물은 적어도 하나의 다층 도전체를 갖는다. 다층 도전체는 절연 막에 의해 밀봉(seal)된 캐비티로부터 분리될 수 있다. 상기 구조물은 절연된 상부 도전체 및 하부 도전체를 가진 바이폴라이거나 단지 단일의 절연된 도전체만을 가진 유니폴라일 수 있다. 절연된 CMUT에서의 충전 저하는 전극들과 전극-절연체 경계면들의 화학적 그리고 전기적 특성들을 변화시킴으로써 방지되거나 감소될 수 있다. 예를 들어, 상이한 전극 재료들이 높은 일 함수, 낮은 저항, 낮은 화학적 반응성, 및 다양한 다른 재료들에 잘 접착될 수 있는 능력을 제공하기 위해 사용된 다. 한 가지 타입의 재료가 한 번에 이러한 특성들을 모두 갖는 것은 흔치 않기 때문에, 2개 이상의 도전성 층 또는 반도체 층으로 이루어진 전극들이 제공된다. 각각의 층은 전체적으로 목적하는 특성들의 하위-세트이다. CMUT의 높은 전계 영역에서 절연체와 직접 접촉하는 층에 대하여, 높은 일 함수를 가진 재료가 사용되어, 전자들이 열적으로 또는 양자 역학적으로 절연체 안으로 주입되는 것을 방지할 수 있고 그리하여 전자들이 충전 저하를 유도하는 것을 방지할 수 있다. 제 2 층에 대하여, 낮은 저항을 가진 재료는 엘리먼트 기생 직렬 저항(parasitic series resistance)을 제한하도록 선택된다. 제 3 층은 점착을 위하여 또는 확산 장벽으로서 이용되기 위하여 부가되거나 부가되지 않을 수 있다.
다층 전극 CMUT 구조물은 하나 또는 두 개의 절연체를 제거할 필요없이 보다 신뢰성 있게 더 높은 출력 압력들을 생성할 수 있다. 부가하여, 셀들에 인가된 바이어스는 절연 막들에 포획된 전하의 연관된 축적 없이 반복적으로 역전되거나 제거되거나, 그렇지 않으면 변화한다. 이것은 동적 바이어스 이미징 방안들에서 개선된 대조도 해상능 이미징 성능(contrast resolution imaging capability)을 가져올 수 있는데, 그 이유는 상기 방안들에 따르면 종종 하나 이상의 셀들이 인가 바이어스의 제거를 통해 주기적으로 비활성화될 것이 요구되기 때문이다. 제로-바이어스 섹션들이 실제로 비활성이고 측면 로브(lobe)들에 음향 에너지를 주지 않기 위하여, 절연체들에는 포획된 전하가 없다.
도 1은 전기 에너지와 음향 에너지 간의 변환을 수행하기 위한 막조직 초음파 트랜스듀서를 보여준다. 막조직 초음파 트랜스듀서는 일 실시예에서 용량성 막 조직 초음파 트랜스듀서(CMUT)이다. 막조직은 유연성 있는 판재(plank) 또는 다른 유연성 있는 구조물뿐만 아니라, 전기 에너지와 음향 에너지 간의 변환을 위한 드럼의 막조직들을 포함하여 넓게 사용된다. 막조직 초음파 트랜스듀서는 기판(12), 보이드(16) 위에 배치된 막조직(14), 막조직(14)에 인접한 전극(18), 하부 전극(20), 절연체(28), 및 커버 층(26)을 포함한다. 현재 공지된 또는 이후에 개발될 다른 CMUT 구조물들이 제공될 수도 있다. 부가적인, 상이한 또는 더 적은 수의 컴포넌트들이 제공될 수도 있다.
도 1에 도시된 셀은 바이폴라 구조물을 갖는다. 만약 전기적 전위가 전극들(18, 20) 사이에서 역으로 되면, 동일한 구조물이 전극들(18, 20)에 대하여 제공된다. 구조적 대칭성이 존재한다. 전극들(18, 20)은 절연체들(막조직(14) 및 절연체(28)) 및 보이드(16)에 의해 서로로부터 분리된다. 대안적인 실시예들에서, 셀은 유니폴라 구조물을 갖는다. 예를 들어, 절연체(28)가 제공되지 않는다. 하부 전극(20)은 보이드(16)에 노출되는 반면, 막조직(14)은 보이드(16)로부터 나머지 전극(18)을 절연시킨다. 또 다른 예로서, 막조직(14)은 도핑되거나 부가의 절연체가 없는 상부 전극(18)으로서 형성되거나, 또는 전극(18)은 막조직(14)의 대향 측면 상에 있으면서, 전극(18)을 보이드(16)에 노출시킨다.
미국 특허 제6,271,620호 및 제6,571,445호에 개시된 바와 같이, 상이한 셀들이 전극 상호연결부에 의해 상호연결될 수 있고, 상기 특허의 개시 내용들은 본 명세서에 참조에 의해 편입된다. 전극들(18, 20) 및 대응 층들(22, 24)은 하나 이상의 다른 셀 전극들로의 상호연결부들에 연결된다. 상호연결부는 동일 층 상에 있거나 전극들(18, 20) 상의 부가 층일 수 있다.
CMUT 셀은 기판(12)을 포함한다. 기판(12)은 실리콘, 부가 재료로 이루어진 층들을 갖는 실리콘, 갈륨 비소, 또는 현재 공지된 또는 이후에 개발될 다른 마이크로 가공 재료들과 같은 반도체이다. 기판(12)은 목적하는 개수의 트랜스듀서 엘리먼트들을 제공하기에 충분한 직사각형 또는 다른 형태의 판상물(slab)과 같은 크기를 갖는다. 예를 들어, 선형의 좁은 판상물이 일차원 트랜스듀서 어레이를 위하여 제공되고, 넓은 판상물이 다차원 트랜스듀서 어레이를 위하여 제공된다. 부가적인 기판(12)이 신호 라우팅, 와이어 본딩을 위한 패드들 또는 다른 구조물들에 사용될 수 있는 반면, 기판(12)의 영역이 가능한 한 작게 유지된다.
막조직(14)은 기판(12) 상에 지지되는 반도체 또는 다른 재료이다. 예를 들어, 막조직(14)은 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition) 실리콘 나이트라이드로 이루어진 층으로서 형성되나, 현재 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 막조직(14)은 패터닝, 에칭, 알루미늄 또는 저온 산화물 또는 유리와 같은 희생층을 사용하여 형성된다. 희생층을 제거함으로써, 각각의 막조직(14)과 연관된 보이드(16)가 형성된다. 그 다음, 에칭, 포토레지스트 프로세스 또는 다른 프로세스들과 연관된 비아(via)는 희생층 또는 보이드(16)를 형성하기 위하여 패터닝 이후에 남아 있는 층의 부분들을 제거하기 위하여 사용된다. 보이드(16)는 밀봉되거나, 개구부를 가진 상태로 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 부가적인 재료 층이 일 실시예에서는 비아를 충진하도록 증착되나, 다른 실시예들에서 비아는 충진되지 않을 수도 있다. 보이 드(16)는 기판(12)으로부터 막조직(14)을 분리하는 캐비티를 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 막조직(14)은 기판(12)의 상부 표면에 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 상부 표면은 상부 표면 상에 노출된 막조직 층, 상부 표면 상에 노출된 막조직들 위에 증착된 부가 층들 또는 상부 표면으로부터 음향 에너지를 수신하기 위한 막조직(14)의 다른 일반적 배치를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 막조직(14)은 예를 들어, 다른 보이드들의 층들 및 연관된 막조직들에 의해 상부 표면으로부터 이격된다.
막조직(14)은 보이드(16)로부터 전극(18)을 분리시키는 절연 층을 제공한다. 실리콘 나이트라이드와 같이, 임의의 전기적 절연 재료가 사용될 수 있다. 막조직(14)과 별개인 층 또는 막조직(14)의 단지 일 부분과 같이, 다른 절연 층들이 제공될 수도 있다. 막조직(14) 또는 다른 절연 층이 보이드(16)로부터 전극(18)을 분리시킨다. 유니폴라 구조물에 대하여, 상부 전극(18)은 개입되는 절연체 없이 보이드(16)에 노출된다. 단지 일 부분 또는 전체 막조직(14)이 절연 층을 제공한다.
하부 전극(20)에 대하여, 절연 층(28)이 전극(20) 위에 증착되거나 형성된다. 실리콘 나이트라이드와 같이, 임의의 전기적 절연 재료가 사용될 수 있다. 절연 층(28)은 막조직(14)과 대향하는 보이드(16)의 측면 상에 있다. 절연 층(28)은 보이드(16)로부터 전극(20)을 분리시킨다. 유니폴라 구조물에 대하여, 하부 전극(20)이 개입되는 절연체 없이 보이드(16)에 노출된다.
전극들(18, 20)은 얇은 금속 증착물이나, 인듐 옥사이드 또는 도전성 폴리머 와 같은 다른 도전체들 또는 반도체들이 사용될 수도 있다. 임의의 스퍼터링, 도핑, 저온 또는 고온 증착, 웨이퍼 본딩, 또는 다른 프로세스들이 전극들(18, 20)을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 보이드(16) 내 전극들(20)이 보이드(16)를 위한 희생층 및 막조직들(14)을 형성하기 위한 층을 증착하기에 앞서 증착, 에칭, 패터닝되거나, 다른 방식으로 형성된다. 또 다른 예로서, 막조직(14)을 형성한 이후에, 그리고 보이드들(16)을 형성하기 위하여 희생층을 제거하기 이전에 또는 그 이후에, 전극들(18)이 패터닝되고, 증착되고, 에칭되거나, 다른 방식으로 형성된다. 각각의 전극(18, 20)이 보이드(16) 및 막조직(14)과 연관된다.
전극들(18, 20)은 보이드(16)의 대향 측면들 상에 있다. 예를 들어, 전극(18)은 막조직(14)의 일 부분을 커버하는 금속배선 층, 예를 들어, 전체 CMUT 엘리먼트에 대한 셀들을 커버하는 공통 패터닝 층이다. 대안적으로, 도전체들 또는 전기 트레이스들은 단일 신호 경로 또는 접지 경로 상에서 분리된 상부 전극들(18) 각각을 연결한다. 상이한 엘리먼트들로부터의 전극들은 예를 들어, 접지로의 연결과 같이, 일정한 기준으로서 함께 연결될 수 있다. 소정의 전극들(18, 20)은 다른 엘리먼트들(24)로부터의 전극들(18, 20)로부터 분리되거나 전기적으로 절연된다. 주어진 엘리먼트(24)에 대한 각각의 막조직(14)의 적어도 하나의 전극이 다른 엘리먼트(24)의 전극으로부터 떨어져 있는 상태로 유지된다. 일 실시예에서, 상부 전극들(18)은 접지 전극들로서 기능하고, 하나 이상의 엘리먼트들에 대해 공통일 수 있으나, 다른 실시예들에서는, 하부 전극(20)이 접지 전극으로서 동작한다.
전극들(18, 20) 중 하나 또는 둘 다 2개 이상의 상이한 도전성 막 또는 반도 체 막들로 이루어진 스택 또는 배열로서 형성된다. 도 1은 2개의 접촉 층들(22, 24)을 포함하는 2개의 전극들(18, 20)을 보여준다. 상기 층들(22, 24) 사이의 접착 층, 또는 절연체(28)로부터 이격된 층(22)과 다른 재료 사이의 접착 층과 같이, 부가적인 층들이 제공될 수 있다. "접촉"은 직접적인 물리적 접촉 또는 다른 전기적 접촉을 하는 2개의 도전체들과 연관된 것과 같은, 전기적 접촉을 제공한다. 전극(18, 20)에서의 층들(22, 24)은 서로 옴 접촉을 한다. 층들(22, 24)은 기생 효과를 감소시키기 위하여 전체적으로 중첩(overlapping)되나, 전체적으로 중첩되지 않을 수도 있다. 부분적 중첩 또는 절연체에 의해 제자리에서 서로로부터 수직으로 분리되는 것이 제공될 수도 있다. 2개의 도전성 층들(22, 24) 사이의 제 3 층은 비-도전성일 수 있다. 이러한 제 3 층은 접착 층, 확산 장벽, 또는 기계적 분리기로서 기능할 수 있고, 양호한 방식으로 막 응력 또는 다른 재료 특성들을 분배하는 방식으로 현수된 막조직(suspended membrane)(14) 내에서 2개의 도전체 층들(22, 24)을 수직으로 배치시킨다. 기계적 분리기의 경우에, 제 3 층은 절연체이거나 심지어 막조직(14)의 일부일 수 있다.
층들(22, 24)은 별개의 재료이다. 대안적인 실시예에서, 상이한 재료들의 합금 또는 혼합된 전극 구조물이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도전성 층들(22, 24)은 그들의 경계면 근처에서 함께 부분적으로 합금으로 만들어질 수 있다(즉, 2개의 도전체들의 합금으로 구성된 2개의 도전체들 사이의 전이 영역이 존재할 수도 있다). 전기적 특성들의 목적하는 분리는 깊이의 함수로서 나머지 재료에 대한 하나의 재료의 양을 단계적로 배치함(grading)으로써 제공된다. 단계적 배치는 상이 한 층들을 제공한다.
하나의 층(24)은 절연 층(28, 14)과 접촉한다. 상기 층(24)은 절연 층(28, 14)이 높은 전계를 가진 보이드(16)와 인접한 영역들에서 절연 층(28, 14)과 주로 접촉한다. 상기 층(24)은 절연 층(28, 14)에 본딩되거나, 연결되거나, 고착되거나, 부착될 수 있고, 그렇지 않으면 절연 층(28, 14)에 대항하여 제자리에 유지될 수 있다.
층(24)은 CMUT의 높은 전계 영역에서 절연 층(28, 14)으로부터 나머지 층(22)을 분리한다. 예를 들어, 층(24)만이 절연 층(28, 14)에 직접 인접하고, 나머지 층(22) 또는 층들은 높은 전계 영역에서 절연 층(28, 14)과 완전히 접촉하지 않거나, 주로 접촉하지 않거나, 거의 접촉하지 않는다.
하나 이상의 콘택들 또는 관통 접속부들이 다른 실시예들에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 낮은 일 함수 도전체 층(22)은 절연체(28, 14)가 더 이상 진공 보이드(16)에 인접하지 않거나 대향 전극(18, 20)이 분리된 영역들에서 절연체(28)의 부분들과 접촉할 수 있다. 보이드(16)에 인접한 단일 전극(18, 20)을 가진 영역들에서, 전계는 충전 저하가 문제가 되지 않을 만큼 충분히 낮다. 보이드(16)가 없는 대향 전극들을 가진 영역들에서, 전계는 높으나, 포획된 전하는 트랜스듀서의 음향 성능에 영향을 주지 않는다.
보이드(16)의 대향 측면들 상에 2개의 전극(18, 20)을 가진 CMUT의 영역들에서, 인접한 절연체(28, 14)는 주로 높은 일 함수 도전체 층(24)과 접촉하고, 나머지 층(22)과는 접촉하지 않는다. 이것은 충전(charging)이 트랜스듀서의 음향 성 능을 해하지 않도록 막아준다. 그럼에도 불구하고, 낮은 일 함수 금속이 이러한 높은 전계-중첩 영역의 제한된 영역(예를 들어, < 10%) 위에서 절연체(28, 14)와 접촉하는 것이 허용가능하다. 그러한 경우에, 상기 장치의 10%가 심하게 충전될 것이고, 반면 90%는 영향받지 않으며, 음향 성능에 있어 상대적으로 적은 전체 저하를 야기한다.
도 3a-도 3d는 상이한 레벨 또는 타입의 접촉 및 분리를 가진 CMUT 셀의 상이한 실시예들을 보여준다. 도 3a는 층(24)의 그루브들 또는 홀들을 통해 높은 전계 영역에서 절연체(14)와 접촉하는 층(22)을 보여준다. 도 3b는 보이드(16)의 더 높은 전계 영역 외부에서 완전히 중첩하지 않는 층들(22, 24)을 보여준다. 도 3c는 층(24)보다 더 좁은 층(22)을 보여준다. 도 3d는 층들(22, 24)의 부분들(예를 들어, 대부분) 사이의 분리를 보여준다. 중첩, 분리 및/또는 접촉의 다른 배열들이 제공될 수 있다.
층들(22, 24)은 상이한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 절연체(28, 14)에 인접한 층(24) 또는 보이드(16)는 나머지 층(22)의 두께와 같거나 그보다 작은 두께를 갖는다. 임의의 두께, 예를 들어, 2 마이크로미터보다 작은 두께가 제공될 수도 있다. 일 실시예에서, 2개의 전극(18, 20) 내 층들(22, 24)의 4개의 도전체 모두는 상이한 두께를 갖는다. CMUT가 바이폴라이기 위하여, 보이드(16)의 대향 측면들 상의 도전성 층들(22, 24)이 매칭된 두께를 갖는 것이 요구되지 않는다. 층들(22, 24)은 전극들(18, 20) 사이에서 그리고/또는 하나의 전극(18, 20) 내에서 동일한 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 층(22, 24)은 0.5 마이크로 미터보다 작다. 층들(22, 24)의 더 큰 두께 또는 더 작은 두께가 사용될 수도 있다.
절연체(28, 14)에 인접한 층(24)은 절연체(28, 14)로부터 이격된 층(22)보다 더 높은 일 함수 및/또는 더 높은 저항을 갖는다. 예를 들어, 층(24)은 4.5 eV 보다 더 크거나 같은 일 함수를 갖고, 층(22)은 3e-8 Ohm-cm와 같거나 더 작은 저항을 갖는다. 층들(22, 24) 간에 일 함수 및/또는 저항의 차이는 목적하는 전기적 저하의 회피 또는 제한을 위하여 제공될 수 있다. 절연층(28, 14)에 인접한 더 높은 일 함수는 전자 이동(electron migration)을 피하거나 제한한다. 절연 층(28, 14)으로부터 이격된 층(22)의 더 낮은 저항은 기생 직렬 저항을 제한할 수 있다. 층들(22, 24)은 다른 특성들, 예를 들어, 낮은 화학 반응성, 더 낮은 잔여 응력 및/또는 다른 층들로의 부착력과 같은 특성들을 제공하도록 설계될 수 있다. 부착력은 층 분리(delamination)를 회피할 수 있다. 일 실시예에서, 층(24)은 400 메가파스칼 장력보다 더 큰 공칭 응력을 갖고, 나머지 층(22)은 층(24)보다 작거나 동일한 공칭 응력을 갖는다.
층들(22, 24)을 형성하기 위해 사용된 재료들은 목적하는 특성을 제공한다. 예를 들어, 절연 층(28, 14)에 인접한 층(24)은 텅스텐, 텅스텐 합금, 크롬, 니켈, 코발트, 베릴륨, 금, 백금 또는 팔라듐을 포함한다. 성분으로서 이러한 재료들 중 하나 이상을 갖는 합금들 또는 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 상이한 재료들이 사용될 수도 있다. 또 다른 예로서, 절연 층(28, 14)으로부터 이격된 층(22)은 알 루미늄, 알루미늄 합금, 폴리-실리콘 또는 구리이다. 성분으로서 상기 재료들 중 하나 이상을 갖는 합금들 또는 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 상이한 재료들이 사용될 수도 있다.
일 구성예에서, 다층 전극(18, 20)을 갖지 않는 유니폴라 CMUT 구조물이 제공될 수 있다. 예를 들어, AlCu(알루미늄-구리) 상부 전극이 0.25 um 두께이다. 실리콘 나이트라이드 상부 절연체가 0.8 um 두께이다. 진공 캐비티가 0.1 um 두께이다. 하부 절연체는 존재하지 않는다. 노출된 TiW(티타늄-텅스텐 합금) 하부 전극은 0.25 um 두께이다. 이러한 유니폴라 구조물의 충전 저하는 "양호한" 전계 극성에서 낮을 수 있으나, 노출된 금속이 진공 캐비티 내로 전자들을 방출하도록 유도되는 경우의 극성에서 심각하다. 충전 저하는 상기 전자들이 전계에 의해 높은 에너지로 가속되어 대향하는 절연체에 충돌할 때 야기된다. 만약 바이어스 전압이 변화하는 극성, 또는 바이폴라 교류 신호에 응답하는 극성을 가질 수 있다면, 유니폴라 구조물은 충전 저하 효과를 경험할 수 있다.
바이폴라 CMUT 구조루은 단일 층 전극들을 가질 수 있다. 예를 들어, AlCu(알루미늄-구리) 상부 전극은 0.5 um 두께이다. PECVD 실리콘 나이트라이드 상부 절연체는 0.45 um 두께이다. 진공 캐비티는 0.1 um 두께이다. PECVD 실리콘 나이트라이드 하부 절연체는 0.45 um 두께이다. AlCu(알루미늄-구리) 하부 전극은 0.25 um 두께이다. 충전 저하를 보이기 위하여, 인가된 전계의 크기는 8 시간 주기에 걸쳐 제로 값에서 2 GV/m로 선형으로 증가(ramp up)한다. 인가된 전계의 극성은 매 2초마다 한 번씩 반전되어, 보이드에서 교류 전계 조건을 형성한다. 이러 한 바이폴라 구조물은 양쪽 극성에서 현저한 충전 저하를 겪을 수 있다. 충전 저하는 상이한 전극 재료들의 선택에 의해 개선될 수 있으나, 그러한 재료들은 너무 저항이 강할 수 있고, 상승된 인장 응력을 가질 수 있으며, 그리고/또는 제조 동안 층 분리를 갖는다는 문제점들이 있다.
일 실시예에서, 바이폴라 CMUT 구조물은 다층 전극들을 가질 수 있다. 상부 전극은 0.25 um 두께로 AlCu의 절연체로부터 이격된 층 및 0.25 um 두께로 W의 절연체에 인접한 층을 포함한다. 상부 절연체는 0.45 um 두께의 PECVD 실리콘 나이트라이드이다. 진공 캐비티는 0.1 um 두께이다. 하부 절연체는 0.45 um 두께의 PECVD 실리콘 나이트라이드 하부 절연체이다. 하부 전극은 0.25 um 두께로 W의 하부 절연체에 인접한 층 및 0.25 um 두께로 AlCu 하부 전극의 하부 절연체로부터 이격된 층을 포함한다. 어떠한 충전 저하도 동일 전압에 응답하여 제공될 수 없거나, 거의 제공될 수 없다.
다층 전극들을 구비한 CMUT는 임의의 목적하는 치료 또는 이미징 응용예를 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, CMUT는 통합된 빔 성형(beamforming)을 제공하여, 다차원 어레이(예를 들어, 2D 어레이)로서의 사용을 허용한다. 예컨대, 유방 이미징을 위하여, 소형 트랜스듀서를 가진 부피 측정 이미징(volumetric imaging)이 제공될 수 있다. 또 다른 예로서, 일 차원 어레이가 CMUT로 형성된다. 트랜스듀서가 그것의 동작 수명에 걸쳐 시간-불변 음향 감도를 유지할 수 있다.
현재 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 기술이 CMUT, 막조직(14), 전극들(18, 20) 및 기판(12)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. CMOS 또는 바이폴라 프 로세싱이 일 실시예에서 사용된다. 스핀 증착, 스퍼터 증착, 기상 증착, 다른 형태의 증착, 웨이퍼 본딩, 에칭, 패터닝, 래핑(lapping), 증발(evaporation), 스크라이빙(scribing), 포토리소그래피 패터닝, 또는 현재 공지된 또는 이후에 개발될 다른 기술들을 사용하여, CMUT의 여러 층들, 구조물 및 재료들이 형성된다. 반도체 층, 절연 층 및 도전 층이 기판(12)의 일부로서 또는 기판(12) 상에 형성된다.
도 2는 용량성 막조직 초음파 트랜스듀서를 형성하기 위한 방법의 일 실시예에 대한 흐름도를 보여준다. 부가적인 단계들, 상이한 단계들 또는 더 적은 개수의 단계들이 제공될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 단계들이 상이한 순서로 제공된다. 도 2는 바이폴라 구조물을 형성하는 단계를 보여주나, 유니폴라 구조물들이 전극들을 상이하게 배치시킴으로써 그리고/또는 절연 층을 형성하지 않음으로써 형성될 수 있다. 양 전극들이 다층으로 이루어지나, 전극들 중 하나는 단일 층을 가질 수도 있다.
단계(42)에서, 하부 다층 전극이 반도체 기판 내에서 또는 반도체 기판 상에서 형성된다. CMOS, 바이폴라, 또는 다른 마이크로가공 기술을 사용하여, 다층을 가진 전극이 형성된다. 층들이 증착, 에칭, 패터닝, 스피닝, 래핑되고/되거나 각각의 셀에 대하여 다른 방식으로 형성된다. 적어도 2개의 상이한 도전체 또는 반도체들이 층으로 놓인다. 일 실시예에서 기판이 층들 중 하나를 제공하도록 도핑된다. 대안적으로, 상이한 금속 층들 또는 다른 도전체들이 기판 상에 또는 기판에 적층된다.
층들이 충전 저하를 최소화하고 전극 성능을 최적화시키기 위하여 상이한 특 성들을 제공하도록 형성된다. 예를 들어, 하부 층은 상부 층의 도전체보다 더 낮은 저항을 가진 도전체이다. 상부 층은 절연 층 및/또는 보이드로부터 하부 층을 분리시킨다. 상부 층은 하부 층보다 더 높은 일 함수를 갖는다.
단계(44)에서 하부 절연체가 형성된다. 하부 절연체는 실리콘 나이트라이드이나, 다른 재료들일 수 있다. CMOS, 바이폴라 또는 다른 마이크로가공 기술을 사용하여, 하부 절연체 층이 형성된다. 예를 들어, 실리콘 나이트라이드가 증착, 에칭, 패터닝, 스피닝, 래핑되거나/되고 하부 다층 전극의 상부 층 위에 다른 방식으로 형성된다. 대안적인 실시예들에서, 하부 절연 층이 제공되지 않는다.
단계(46)에서, 유연성 있는 구조물이 보이드 위에 형성된다. 유연성 있는 구조물은 막조직, 빔, 포스트 또는 다른 구조물이다. 보이드는 유연성 있는 구조물을 형성하기 위한 단계들의 부분으로서 형성될 수도 있다. 현재 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 CMOS, 바이폴라 또는 마이크로가공 프로세스는 막조직 및 보이드를 형성하기 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 희생 층이 하부 절연 층의 상부에 증착된다. 그 다음 희생 층이 목적하는 보이드들의 위치들에 희생 재료를 남겨두도록 패터닝된다. 그 다음, 실리콘, 실리콘 나이트라이드 또는 다른 반도체 재료가 희생 층 위에, 임의의 노출된 전기 상호연결부들 위에, 그리고 임의의 노출된 원래 기판 표면들 상에 증착된다. 비아들 또는 다른 구조물들을 사용하여 희생 층이 제거되고, 막조직 및 보이드를 야기한다.
단계(48)에서, 상부 전극이 하부 전극으로부터 보이드의 대향 측면 상에 형성된다. 상부 전극은 유연성 있는 구조물에 인접하여, 예를 들어, 상부 상에, 하 부 상에 또는 막조직에 형성된다. 현재 공지된 또는 이후에 개발될 임의의 CMOS, 바이폴라, 또는 마이크로가공 프로세스가 상부 전극을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 적어도 2개의 상이한 도전체들이 절연 층에 인접하여 층으로 놓인다. 층들 중 하나는 나머지 층을 유연성 있는 구조물 또는 다른 절연층으로부터 분리시킨다. 유연성 있는 구조물은 또한 절연 층이나, 별개의 절연 층이 제공될 수도 있다. 절연은 보이드로부터 상부 전극의 층들을 분리시킨다. 유연성 있는 구조물에 바로 인접한 층은 유연성 있는 구조물로부터 이격된 층보다 더 높은 일 함수 및 더 높은 저항을 갖는다.
다른 프로세싱이 제공될 수도 있다. 예를 들어, 폴리머 또는 다른 절연체로 이루어진 하나 이상의 층들(26)은 기판의 상부 표면 및 상부 전극 위에 형성된다. 음향 필터를 구비한 또는 구비하지 않은 음향 매칭 층(acoustic matching layer)들을 형성하기 위해 사용되는 폴리머들과 같이, 현재 공지되거나 이후에 개발될 임의의 여러 폴리머들 또는 절연체들이 사용될 수 있다. 폴리머 층은 음향 매칭 층 및 절연체로서 작용한다. 폴리머는 포토이미징 레지스트(photoimagable resist), 리소그래피 스피닝, CVD 또는 얇은 층들을 형성하는 다른 기술을 사용하여 증착된다. 폴리머에 대한 대안으로서, 반도체 절연체 또는 다른 전기 절연 재료가 사용될 수 있다.
또 다른 프로세스는 셀들 및/또는 트랜스듀서 어레이의 엘리먼트들 사이에 전기적 상호연결부들을 형성하는 단계를 포함한다. 임의의 여러 라우팅 또는 전기적 연결 기술들(예를 들어, 금속 트레이스들, 비아들 또는 도핑 형성)을 사용하여, 막조직 또는 엘리먼트들과 연관된 전극들이 함께 연결된다. 플립 칩 본딩, 와이어 본딩, 유연성 있는 회로 연결 또는 다른 연결은 엘리먼트들을 수신기 및 송신기 전자장치들에 연결한다. 일 실시예에서, 수신기 전자장치들은 동일한 기판 내에 통합된다. 대안적으로, 수신기 전자장치들이 기판에 인접하여 또는 기판으로부터 이격되어 배치된다. 예를 들어, 수신기 전자장치들이 별개의 기판 내에 통합되고 CMUT를 위해 사용된 기판의 하부 또는 측면에 본딩된다. 그 다음 2개의 기판 사이의 전기적 연결이 에지 도전체, CMUT 기판 내의 도전체들, CMUT 기판 위의 폴리머 층들 내의 도전체들, 와이어 본드, 플렉스 회로들 또는 이들의 결합을 사용하여 제공된다. 수신기 전자장치들로의 연결에 대한 대안으로서, 상술한 도전체들이 전자장치로의 원격 연결을 위한 케이블에 연결된다. 전술한 임의의 여러 기술들이 공통 또는 접지 전극 구성을 위하여, 아니면 엘리먼트-기반 신호 전극 구성을 위하여 사용될 수 있다.
부가적인 차폐(shielding)가 본 명세서에서 논의된 소정의 또는 모든 층들 안으로 통합되거나 집적될 수 있다. 예를 들어, 전기적으로 분리된 금속 막이 접지에 연결되거나 하부 전극(20) 아래의 기판 내에서 EMI 차폐물로서 플로팅하도록 허용된다.
본 발명이 여러 실시예들을 참조하여 앞서 기술된 반면, 다수의 변형예 및 수정예들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 전술한 상세한 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로서 간주되어야 하고, 이하의 청구범위 및 그 균등물이 본 발명의 개념 및 범위를 한정하도록 의도된다.
도 1은 층으로 이루어진 전극들을 가진 CMUT 셀의 일 실시예에 대한 측단면도이다.
도 2는 다층 전극들을 가진 CMUT를 형성하기 위한 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 3a-도 3d는 층으로 이루어진 전극들을 가진 CMUT 셀의 대안적인 실시예들을 보여준다.

Claims (22)

  1. 전기 에너지와 음향 에너지 사이의 변환을 위한 막조직(14) 초음파 트랜스듀서로서,
    기판(12);
    상기 기판(12) 상에 지지된 막조직(14), 상기 기판(12)으로부터 상기 막조직(14)을 분리시키는 캐비티(16);
    제 1 및 제 2 전극들(18, 20) - 여기서, 상기 제 1 전극(18)은 상기 제 2 전극(20)에 대해 상기 캐비티(16)의 대향 측면 상에 있음 -; 및
    상기 캐비티(16)로부터 상기 제 1 전극(18)을 분리시키는 제 1 절연 층(28, 14);
    을 포함하고,
    상기 제 1 전극(18)은 서로 옴 접촉하고 있는 적어도 2개의 전도성 또는 반도체 전극 층들(22, 24)을 포함하는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 절연 층(28, 14)은 상기 막조직(14)을 포함하는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 절연 층(28, 14)은 상기 막조직(14)에 대향하는 상기 캐비티(16)의 측면 상에 있는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 막조직(14)을 포함하는 제 2 절연 층(28, 14);
    을 더 포함하고,
    상기 제 2 전극(20)은 서로 옴 접촉하고 있는 적어도 2개의 전도성 또는 반도체 전극 층들(22, 24)을 포함하는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극 층들(22, 24)은 제 1 층(24) 및 제 2 층(22)을 포함하고, 상기 제 1 층(24)은 상기 절연 층(28, 14)이 높은 전계를 가진 상기 캐비티(16)에 인접한 영역들에서 상기 절연 층(28, 14)에 주로 접촉하고, 상기 제 2 층(22)보다 더 높은 일 함수를 갖는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극 층들(22, 24)은 제 1 층(24) 및 제 2 층(22)을 포함하고, 상기 제 1 층(24)은 상기 절연 층(28, 14)과 접촉하고 상기 제 2 층(22)보다 더 높은 저항을 갖는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 층(24)은 4.5 eV보다 더 크거나 같은 일 함수를 갖고, 상기 제 2 층(22)은 3e-8 Ohm-cm와 같거나 더 작은 저항을 가지며, 상기 제 2 층(22)은 상기 제 1 층(24)보다 더 낮은 일 함수를 갖는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 층(24)은 400 메가파스칼 장력보다 더 큰 공칭 응력을 갖고, 상기 제 2 층(22)은 상기 제 1 층(24)보다 작거나 같은 공칭 응력을 갖는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극 층들(22, 24)은 제 1 층(24) 및 제 2 층(22)을 포함하고, 상기 제 1 층(24)은 텅스텐, 텅스텐 합금, 크롬, 니켈, 코발트, 베릴륨, 금, 백금, 팔라듐 또는 이들 중 하나 이상을 갖는 재료를 포함하고, 상기 제 2 층(22)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 폴리-실리콘, 구리 또는 이들 중 하나 이상을 갖는 재료를 포함하는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극 층들(22, 24)은 제 1 층(24) 및 제 2 층(22)을 포함하고, 상기 제 1 층(24)은 높은 전계를 가진 상기 캐비티(16)에 인접한 영역들에서 상기 절연 층(28, 14)과 주로 접촉하고, 상기 제 2 층(22)은 상기 영역들에서 상기 절연 층(28, 14)과 주로 접촉하지 않는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 전극 층들(22, 24)은 제 1 층(24) 및 제 2 층(22)을 포함하고, 상기 제 1 층(24)은 상기 절연 층(28, 14)과 주로 접촉하고, 상기 제 2 층(22)의 제 2 두께보다 작거나 같은 제 1 두께를 갖는,
    막조직 초음파 트랜스듀서.
  12. 용량성 막조직(14) 초음파 트랜스듀서를 형성하는 방법으로서,
    (a) 보이드(16) 위에 유연성 있는 구조물을 형성하는 단계(46); 및
    (b) 상기 보이드(16)의 대향 측면들 상에 전극들(18, 20)을 형성하는 단계(42) - 여기서, 제 1 전극(18)은 상기 유연성 있는 구조물에 인접함 -;
    를 포함하고,
    상기 전극들(18, 20) 중 적어도 하나를 형성하는 단계(42)는 절연 층에 인접하여 적어도 2개의 상이한 도전체들을 층으로 놓는 단계를 포함하는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 상이한 도전체들 중 제 1 도전체는 상기 적어도 2개의 상이한 도전체들 중 제 2 도전체보다 더 낮은 저항을 갖고, 상기 제 2 도전체는 상기 제 1 도전체를 상기 보이드(16)에 인접한 영역들에서 상기 절연 층으로부터 분리시키며, 상기 제 2 도전체는 도전체-절연체 경계면에서 상기 제 1 도전체보다 더 높은 일 함수를 갖는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서 형성 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 절연 층은 상기 유연성 있는 구조물이고, 상기 절연 층은 상기 보이드(16)으로부터 상기 적어도 2개의 상이한 도전체들을 분리시키며,
    전극들(18, 20)을 형성하는 단계는 2개의 전극들(18, 20)을 형성하는 단계를 포함하고, 각각의 전극은 적어도 2개의 상이한 도전체들을 갖는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서 형성 방법.
  15. 전기 에너지와 음향 에너지 사이의 변환을 위한 용량성 막조직(14) 초음파 트랜스듀서로서,
    상기 트랜스듀서는 캐비티(16) 및 제 1 절연체에 의해 상기 캐비티(16)로부터 분리된 제 1 전극(18)을 포함하고,
    상기 제 1 전극(18)은 2 이상의 상이한 도전성 또는 반도체 막들(22, 24)의 스택을 포함하며, 상기 2 이상의 상이한 막들(22, 24) 중 단지 하나만이 상기 캐비티(16)에 인접한 높은 전계 영역에서 상기 인접 절연체와 주로 접촉하는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 트랜스듀서는 유니폴라인,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 트랜스듀서는 바이폴라인,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 막들(22, 24) 중 제 1 막(22)은 상기 막들(22, 24) 중 제 2 막(24)보다 낮은 저항 및 일 함수를 갖고, 상기 막들(22, 24) 중 상기 제 2 막(24)은 상기 절연체와 주로 인접한 상기 막들(22, 24) 중 하나인,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제 1 막(22)은 3e-8 Ohm-cm 이하의 저항을 갖고, 상기 제 2 막(24)은 4.5 eV 이상의 일 함수를 갖는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제 1 막(22)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 폴리-실리콘 또는 구리를 포함하고, 상기 제 2 막(24)은 텅스텐, 텅스텐 합금, 크롬, 니켈, 코발트, 베릴륨, 금, 백금 또는 팔라듐을 포함하는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제 1 막(22)의 제 1 두께는 상기 제 2 막(24)의 제 2 두께보다 크거나 같고, 상기 제 1 및 제 2 두께는 2 마이크로미터보다 작은,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 제 1 막(22)은 400 메가파스칼 장력보다 더 큰 공칭 응력을 갖고, 제 2 막(24)은 400 메가파스칼 장력보다 작거나 동일한 공칭 응력을 갖는,
    용량성 막조직 초음파 트랜스듀서.
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