KR20130014501A - 압전 초음파 변환 장치의 형성 방법들 및 연관된 장치들 - Google Patents

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Abstract

에어백 공동(air-backed cavity)을 정의하는 압전 초음파 변환(pMUT) 장치의 상기 에어백 공동으로부터 상기 pMUT 장치의 상기 변환 소자에 인접하여 배치된 기판막을 관통하여 연장하고, 상기 pMUT 장치의 제1 전극과 전기-도전성 연결을 하는 금속 또는 다른 전기-도전성 부재를 생성하여서, 상기 전기-도전성 부재가 상기 pMUT 소자의 상기 에어백 공동 내에 증착된 컨포멀(conformal) 전기-도전막과 상기 제1 전극 사이의 전기-도전성 연결을 제공하는 방법들이 제공된다. 이와 연관된 장치들도 또한 제공된다.

Description

압전 초음파 변환 장치의 형성 방법들 및 연관된 장치들{METHODS FOR FORMING PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCERS, AND ASSOCIATED APPARATUSES}
본 발명은 초음파 변환 장치들 및 보다 상세하게는 에어백(air-backed) 동공을 정의하는 압전 미세가공 초음파 변환기의 형성 방법들 및 연관된 장치들에 관한 것이다.
일부 미세가공 초음파 변환 장치들(micromachined ultrasonic transducers; MUTs)을, 예를 들어, 본 출원의 양수인인, 리써치 트라이앵글 인스티튜트(Research triangle institute)에 양도된 미국 등록 특허 7,449,821(U.S. Patent No. 7,449,821)에 개시된 압전 미세가공 초음파 변환기(pMUT)로 구성되며, 상기 등록 특허는 본 출원에서 참조된다.
미국 등록 특허 7,449,821에 개시된 에어백(Air-backed) 공동을 정의하는 상기 pMUT 소자와 같은 pMUT 소자의 형성은 상기 pMUT 소자의 상기 에어백 공동 내에 배치된 상기 변환 소자의 제1 전극(즉, 하부 전극)과 컨포멀(conformal) 금속막(들) 사이에 전기-도전성 연결을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 컨포멀 금속막은 예를 들어, 집적 회로(이하, "IC") 또는 유연 케이블(flex cable)에 이후 연결을 제공하기 위해서 상기 에어백 공동에 적용된다. 이와 관련하여, 일부 선행 기술의 방법들은, 예를 들어, 상기 제1/하부 전극과 직접 연결되는 상기 pMUT의 상기 에어백 공동 내에 컨포멀 금속막을 증착하는 단계를 포함한다(예를 들어, 미국 등록 특허 7,449,821의 도 7A 참조). 다른 예에 있어서, 상기 컨포멀 금속막은 유전 필름 내에 형성되어서 제1 전극/하부 전극을 노출시키는 비아(via) 내에 증착된다(예를 들어, 미국 등록 특허 7,449,821의 도 7B 참조). 실리콘-온-인슐레이터(이하, SOI) 기판을 포함하는 또 다른 예에 있어서, 상기 컨포멀 금속막은 상기 변환 소자에 매우 근접하도록 연장하는 비아 내에 증착된다(미국 등록 특허 7,449,821의 도 14 및 도 15 참조). 하지만, 예를 들어, 상기 제1/하부 전극 및/또는 상기 유전 필름이 상대적으로 얇으므로 불충분한 식각 저지막을 제공하기 때문에, 이들 예시적인 선행 기술의 방법들에 따른 그러한 비아(즉, 식각에 의해서)의 형성은 어려울 수 있다.
다른 선행 기술의 방법에 있어서, 소자 기판은 상기 pMUT 소자와 연결된 상태로 남아서 상기 pMUT 소자의 상기 공명 주파수를 제어하는 고정된 두께를 제공할 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 컨포멀 금속막 사이의 전기-도전성 연결은 도핑된 실리콘막(예를 들어, 리써치 트라이앵글 인스티튜트에 양도된 WO 2008/054395 A1의 도 7 참조, 또한 WO 2008/054395 A1은 본 발명에서 참조됨) 또는 상기 웨이퍼의 전면측으로부터 상기 압전(PZT) 구성요소 옆의 상기 실리콘막 내로 식각된 비아 내에 증착된 플러그에 의해서 형성된다(예를 들어, 미국 등록 특허 7,449,821의 도 14 참조). 하지만, 그러한 전기-도전성 연결은, 일부 경우에 있어서, 상기 비아 내에서 상기 제1/하부 전극을 상기 컨포멀 금속막으로 부적절한 도전성 연결(즉, 도핑된 실리콘)을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 도핑된 실리콘막은 높은 전기장 레벨에서 적절한 도전성을 나타내지만, 상기 도핑된 실리콘막의 도전성은 상기 도핑된 실리콘막 내에서 다이오드와 유사한 거동으로 인해서 낮은 전기장 레벨에서 부적절하게 비선형적이고 특히 감소된 도전성을 나타낸다. 다른 경우들에 있어서, 그러한 전기-도전성 연결들은 상기 비아 내에 증착된 상기 컨포멀 금속막과 상기 제1/하부 전극 사이에서 상기 비아의 모서리(즉, 상기 비아의 측벽이 상기 비아의 단부벽 또는 상기 하부와 만나는 곳) 및/또는 상기 비아의 측벽을 따라 콘택을 포함할 수 있다. 그러한 경우들에 있어서, 상기 비아의 측벽들 및/또는 모서리들은 거칠거나 불완전하게 식각될 수 있어서 상기 컨포멀 금속막을 상기 제1/하부 전극으로 연장하는 상기 금속에 연결하는 것이 어려울 수 있으며, 결과적으로 상기 제1/하부 전극과 상기 컨포멀 금속막 사이에 불량한 또는 부적절한 전기-도전성 연결을 야기할 수 있다.
선행 기술의 발명의 다른 측면들은 상기 제1 전극과 상기 컨포멀 금속막 사이의 전기-도전성 연결을 형성하는 구성요소가 상기 pMUT 소자의 상기 측면 가장자리들(edges) 중에서 하나에 대해서 형성될 수 있다는 것이다(예를 들어, 미국 등록 특허 7,449,821의 도 15 참조). 그러한 경우들에 있어서, 제2 비아의 측벽/단부벽 가장자리에 대해서 응력 집중 때문에, 상기 작동되는 pMUT 소자의 기계적 굴곡은 상기 제2 비아 내에서 상기 전기-도전성 연결 구성요소와 컨포멀 도전막 사이의 연결에 대한 피로를 발생 시키거나 가속시킬 수 있다. 그러한 피로는 이들 사이의 상기 전기-도전성 연결의 피로를 야기할 수 있고, 이에 따라 상기 pMUT 소자의 상기 제1/하부 전극과 이와 연결된 상기 IC, 유연 케이블 또는 재분배 기판 사이의 개방 회로상태를 형성할 수 있다. 또한, 상기 전기적 연결을 제공함으로서 상기 pMUT 소자의 상기 멤브레인(membrane)의 측면 가장자리에 대해서 배치되는 다른 물질(즉, 금속)을 포함하는 것은 멤브레인 휨(flexing)의 경계 조건을 변경하여, 상기 pMUT 소자의 상기 주파수 및/또는 진동 모드(즉, 기본(fundamental) 또는 조화(harmonic) 모드)에 영향을 미쳐서, 상기 pMUT 소자에 의해서 형성되는 음향 신호들에 부적적인 영향을 미칠 수 있다.
이에 따라, 상기 초음파 변환 장치 분야에서, 특히 에어백 공동을 구비한 압전 미세가공 초음파 변환(이하, "pMUT") 소자에 대해서, 상기 pMUT 소자의 에어백 공동 내에 배치된, 상기 변환 소자의 상기 제1 전극(즉, 하부 전극)과, 예를 들어, 집적 회로(IC) 또는 유연 케이블에 이후 연결을 제공하기 위해서, 상기 에어백 공동에 적용되는 상기 컨포멀 금속막(들) 사이에 전기-도전성 연결을 형성하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 측면들은 상술한 필요성과 다른 필요성들을 만족하며, 본 발명의 그러한 일 측면은 압전 초음파 변환 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 소자 기판 상에 배치된 유전막 상에 변환 소자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 소자 기판은 또한 1차 기판 상에 배치된다. 상기 변환 소자는 상기 유전막 사이에 배치된 제1 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 압전 물질을 포함한다. 캐리어 기판은 이후, 상기 제1 전극에 대향하여, 상기 변환 소자의 상기 제2 전극에 접합되고, 상기 1차 기판은 제거된다. 상기 소자 기판 및 상기 유전막은 이후 식각되어서 상기 제1 전극으로 연장하는 제1 비아를 정의하고, 제1 도전 물질은 상기 제1 비아를 실질적으로 매립하도록 증착된다. 지지 부재는 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질과 연결되고, 상기 캐리어 기판은 이후 상기 변환 소자로부터 제거된다. 상기 지지 부재는 이후 식각되어서 상기 소자 기판과 상기 제1 도전 물질로 연장하는 제2 비아를 정의한다. 제2 도전 물질은 상기 지지 부재, 상기 소자 기판 및 상기 제2 비아를 정의하는 상기 제1 도전 물질 상에 순차적으로 증착되어서, 상기 제2 도전 물질은 상기 제1 도전 물질과 전기-도전성 연결을 형성한다.
일 특정 측면에 있어서, 상기 지지 부재를 연결하는 단계는 또한 지지 기판을 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질에 접합하는 단계를 포함한다. 상기 지지 부재를 식각하여 상기 제2 비아를 정의한 이후이며, 상기 제2 도전 물질을 적층하기 이전에, 절연 물질은 상기 지지 기판 상에 증착되고, 상기 절연 물질은 상기 제2 비아 내로 상기 소자 기판으로 연장한다.
다른 특정 측면에 있어서, 상기 지지 부재를 연결하는 단계는 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질 상에 절연 물질을 증착하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 압전 초음파 변환 장치를 형성하는 방법을 개시한다. 그러한 방법은 기판 상에 배치된 소자막을 식각하여 상기 기판으로 연장하는 제1 비아를 정의하는 단계 및 상기 제1 비아를 실질적으로 매립하는 제1 도전 물질을 증착하는 단계를 포함한다. 변환 소자는 이후 적어도 상기 제1 도전 물질 상에 형성되고, 상기 변환 소자는 상기 제1 도전 물질 상에 배치된 제1 전극을 포함하며, 압전 물질은 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 기판은 이후 식각되어서 상기 소자막 및 상기 제1 도전 물질로 연장하는 제2 비아를 형성한다. 절연 물질은 상기 기판 상에 증착되고, 상기 절연 물질은 상기 제2 비아 내에서 상기 소자막까지 연장한다. 제2 도전 물질은 이후 상기 제2 비아를 정의하는 제1 도전 물질, 상기 소자막 및 상기 절연 물질 상에 증착되어서, 상기 제2 도전 물질은 상기 제1 도전 물질과 전기-도전성 연결을 형성한다.
본 발명의 또 다른 측면은 소자 기판 상에 배치된 유전막 상에 배치된 변환 소자를 포함하는 압전 초음파 전환 장치를 제공한다. 상기 반전 소자는 상기 유전막 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 압전 물질을 포함한다. 상기 소자 기판 및 상기 유전막은 상기 제1 전극으로 연장하는 제1 비아를 정의하도록 구성된다. 제1 도전 물질은 상기 제1 비아를 실질적으로 매립하도록 구성된다. 지지 부재는 상기 소자 기판과 연결되고, 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질로 연장하고, 이들을 노출시키는 제2 비아를 정의하는 측벽을 형성한다. 상기 노출된 소자 기판은 제2 비아 단부벽을 추가적으로 정의하고, 상기 제1 도전 물질은 상기 제2 비아 단부벽에 대해서 상기 측벽으로부터 이격되어 배치된다. 일부 경우들에 있어서, 상기 제1 도전 물질은 상기 측벽으로부터 이격되어서 상기 제2 비아에 대해서 중심부에 배치된다. 상기 장치는 또한 상기 지지 부재 상에 배치되는 제2 도전 물질, 상기 소자 기판 및 상기 제2 비아를 정의하는 제1 도전 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 도전 물질은 상기 제1 도전 물질과 전기-도전성 연결을 형성한다.
본 발명의 측면들은 상술한 필요성들을 만족하고, 여기에서 상세히 설명하지 않은 다른 장점들을 제공한다.
본 발명은 일반적인 용어를 사용하여 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이며, 상기 도면들은 비율에 맞추어서 그려진 것이 아니다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 압전 미세가공 초음파 변환 장치를 형성하는 웨이퍼 접합 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 압전 미세가공 초음파 변환 장치를 형성하는 산화물 성장 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 15는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 압전 미세가공 초음파 변환 장치를 형성하는 초기 전기-도전성 인터커넥트 형성 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이며, 상기 도면들은 본 발명의 일부 측면을 도시하지만, 모든 측면들을 도시하지 않는다. 실제로, 본 출원은 많은 다른 실시예들을 포함할 수 있으며, 기재된 특정 측면들에 의해서 제한되지 않으며, 오히려 이들 측면들은 본 출원이 출원에 대한 법적 요건을 만족시키기 위해서 제공된 것일 뿐이다. 유사한 부재들에 대해서는 유사한 참조부호를 사용한다.
본 발명의 측면들은 일반적으로 pMUT의 에어백(air-backed) 공동으로부터 상기 pMUT의 상기 변환 소자에 인접하여 배치된 기판(즉, SOI)막을 관통하여 연장하여, 상기 제1/하부 전극과 전기-도전성 접촉을 하는 금속 또는 다른 전기-도전성 부재를 생성하여, 상기 전기-도전성 부재가 에어백(air-backed) 공동을 정의하는 상기 pMUT 소자의 상기 에어백 공동 내에 증착된 컨포멀(conformal) 금속막과 상기 제1/하부 전극 사이의 향상된 전기-도전성 연결을 제공하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 측면들에 따르면, 웨이퍼 접합 방법 및 산화물 성장 방법이 제공된다. 그러한 방법들은 첫 번째로 하나 또는 그 이상의 예시적인 pMUT 소자들의 특정 막들을 형성하는 단계를 포함한다. 예시적인 일 실시예인 복수의 pMUT 소자들(150)(즉, pMUT "웨이퍼")이 도 1에 도시된다. 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 접합 및 산화물 성장 방법들은 우선적으로 상부에 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 소자 기판(152)을 구비하는 1차 기판(151)을 포함한다. 다른 예시적인 실시예들에 있어서(도시되지 않음), 소자 기판(152)은 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 예를 들어, 열 실리콘산화물(SiO2)(열 산화물) 유전막(154)과 같은 유전막이 소자 기판(152) 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, Ti/Pt 물질을 포함하는 제1 전극막(156)(여기에서 "하부" 전극으로도 언급됨)은 이후 유전막(154) 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 압전(PZT) 필름과 같은 압전 물질막(158)은 이후 제1 전극막(156) 상에 증착되고, 압전 물질막(158) 및 제1 전극막(156)은 이후 상기 변환 소자들의 공간(footprints)을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene; BCB) 물질과 같은 층간 유전체(160)는 이후 증착되고, 가공되어서 상기 변환 소자들을 분리시킨다. 일부 측면들에 있어서, 압전 물질막(158)은 상기 미리 증착된 제1 전극막(156)이 압전 물질막(158)에 대해서 외측 측면으로 연장하도록 구성될 수 있다. 그러한 측면들에 있어서, 상기 이후 증착된 BCB 물질은 또한 제1 전극막(156) 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 티타늄/금(Ti/Au) 물질을 포함하는 제2 전극막(162)(여기에서 "상부" 전극으로도 언급됨)은 이후 압전 물질막(158) 및 층간 유전막(160) 상에 증착될 수 있다. 이에 따라 제1 전극막(156), 압전 물질막(158) 및 제2 전극막(162)은 함께 변환 소자(163)(참조, 예를 들어, 도 1 및 도 2)를 형성한다. 일부 측면들에 있어서, 제2 전극막(162)은 접지 전극을 포함할 수 있는 반면에, 제1 전극막(156)은 신호 전극을 포함할 수 있다. 압전 물질막(158)의 외측 측면으로 연장하는 제1 전극막(156)을 포함하는 경우에, 상기 BCB 물질은 또한 제1 및 제2 전극들(156, 162) 사이에 배치될 수 있다. 그러한 구성(즉, 전극(들)이 상기 압전 물질의 외측 측면으로 연장함)은, 예를 들어, 제1 및 제2 전극들(156, 162) 사이에 분리/절연막을 제공함으로써, 상기 압전 물질(158)의 가장자리들에 대해서 전기적 합선(단락)을 방지할 수 있다.
압전 물질막(158) 내에 포함될 수 있는 압전 물질은, 예를 들어, ZnO, AlN, LiNbO4, 주석산 납 안티몬(lead antimony stannate), 탄탈산 납 마그네슘(lead magnesium tantalate), 탄탈산 납 니켈(lead nickel tantalate), 지르콘 티탄산 납(lead zirconate titanate)(Pb(ZrxTi1-x)O3; PZT), 지르콘 티탄산 납 란타늄(lead lanthanum zirconate titanate; PLZT), 지르콘 티탄산 납 니오븀(lead niobium zirconate titanate; PNZT), BaTiO3, SrTiO3, 니오브산 납 마그네슘(lead magnesium niobate), 니오브산 납 니켈(lead nickel niobate), 니오브산 납 망간(lead manganese niobate), 니오브산 납 아연(lead zinc niobate), 티탄산 납(lead titanate)을 포함하는 납, 바륨, 비스무트 또는 스트론튬의 티탄산염, 텅스텐산염, 지르콘산염 또는 니오브산염을 포함하는 세라믹들을 포함할 수 있다. 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene; PVDF-TrFE), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드-테트라플루오로에틸렌(polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene; PVDF-TFE)과 같은 압전 중합체 물질들이 또한 이용될 수 있다.
상기 웨이퍼 접합 방법에 대한 본 발명의 측면들에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 캐리어 기판(164)은, 예를 들어, 에폭시, 점착 테이프, 또는 이후 공정에서 제거될 수 있는 다른 점착 물질(166)을 사용하여, pMUT 웨이퍼(150)의 상기 상면(즉, 제2 전극막(162))에 접착된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 1차 기판(151)은 이후 소자 기판(152)으로부터 제거된다. 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자는 상기 1차 기판(151)의 제거가 다양한 방식으로 달성될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 소자 기판(152)이 SOI 기판인 경우, 1차 기판(151)은 예를 들어, HF 산을 사용하여 SOI 소자 기판(152)의 매립 산화막(153)을 식각함으로써 제거될 수 있다. 제1 전극막(156)과 연결된 열산화 유전막(154)의 식각을 방지하기 위해서, 유전막(154)은 상기 웨이퍼의 측면 가장자리들에 대해서 패터닝되어서, 이후 증착된 층간 유전체(160)가 유전막(154)의 측면 가장자리들을 커버하고, 1차 기판(151)을 제거하는데 사용되는 상기 HF산에 노출됨으로서 열산화 유전막(154)이 식각되는 것을 방지한다.
소자 기판(152)이 SOI 기판인 경우, 1차 기판(151)은 후면 연마(back-grinding)에 의해서 제거될 수 있고, 소자 기판(152)은 이후 연마되어서 매립 산화막(153)(도 2)이 제거될 수 있고, 상기 변환 소자를 지지하기 위해서 특정 두께의 실리콘막(155)(참조, 예를 들어, 도 3)이 남겨질 수 있다. 실리콘 막(155)의 적절한 두께는, 예를 들어, 약 2㎛와 약 15㎛ 사이일 수 있다. 소자 기판(152)이 베어 실리콘 웨이퍼(bare silicon wafer)인 경우, 상기 실리콘 웨이퍼의 상기 남은 부분의 적절한 잔류 두께는, 예를 들어, 약 ±0.5㎛의 두께 차이에서 정확하게 제어하기 어려울 수 있다. 하지만, 베어 실리콘 웨이퍼를 포함하는 소자 기판(152)은 후면 연마되거나 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 공정을 통해서, 상기 남은 실리콘 웨이퍼에서 가능한 균일한 두께를 가질 수 있다. SOI 소자 기판(152)을 이용하는 일 특정 측면에 있어서, 1차 기판(151)은 우선 약 50㎛보다 작은 두께로 후면 연마될 수 있다. 1차 기판(151)의 남은 실리콘부는, 예를 들어, 실리콘 산화물을 식각 저지막으로 이용하는 실리콘 식각 공정을 이용하여 이후 식각될 수 있다. 매립 산화막(153)은 이후, 예를 들어, HF 또는 반응성 이온(Reactive Ion Etching; RIE) 식각에 의해서 순차적으로 제거될 수 있다. 남은 실리콘막(155)은 이의 두께에 대해서 보다 용이하게 제어되어서, 웨이퍼(150) 전체에 걸쳐서 상기 pMUT 소자들의 일관성을 제공할 수 있다.
또한, 도 3에서 도시된 바와 같이, 제1 비아들(170A)은 이후, 예를 들어, 깊은 반응성 이온 식각(DRIE) 공정을 통해서, 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부에 형성될 수 있다. 일 측면에 있어서, 특정 제1 비아들(170A)은 남은 소자 기판(152) 내에 형성되어서, 유전(열산화)막(154)을 관통하여 변환 소자(163)의 제1/하부 전극막(156)으로 연장될 수 있다. 분리 비아들(170B)은 또한 인접하는 pMUT 소자들 사이에 측면으로 형성될 수 있고, 그러한 분리 비아들(170B)은 남은 소자 기판(152)을 관통하여 연장하고, 유전막(154)을 관통하여 연장하지 않는다. 일부 측면들에 있어서, 그러한 분리 비아들(170B)은 상기 인접하는 pMUT 소자들의 신호(제1/하부) 전극들 사이의 전기적 분리 기능을 용이하게 한다. 다른 예시적인 실시예들에 있어서, 분리 비아들(170B)은 유전막(154)을 통해서 층간 유전막(160)으로 연장되거나, 층간 유전막(160) 내부까지 연장되어서, 예를 들어, 상기 인접하는 pMUT 소자들 사이에 음향적 분리 기능(acoustic isolation function)을 제공할 수 있다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 제1 비아들(170A)은 이후 스퍼터링, 화학 기상 증착 및/또는 도금 공정을 통해서(즉, 금속막 또는 다른 도전성 물질의 증착을 통해서), 예를 들어, 구리와 같은 제1 도전 물질(172)로 매립될 수 있다. 제1 도전 물질(172)은 제1 비아(170A)를 실질적으로 매립하고, 제1/하부 전극막(156)과 전기적 연결을 형성하도록 구성된다. 제1 도전 물질(172)은 이에 따라 제1/하부 전극막(156)으로부터 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부를 관통하여 연장하는 도전성 구성요소를 제공할 수 있다. 제1 도전막(172)에 의해서 매립되지 않는 분리 비아들(170B)은, 예를 들어, 각각의 pMUT 소자 주위의 분리 트렌치를 제공하여 상기 pMUT 소자들 사이의 전기적 연결을 방지할 뿐만 아니라, 상기 pMUT 소자들 사이의 음향적 간섭(cross-talk)을 방지할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 분리 비아들(170B)은 매립되지 않고 남아 있거나(즉, 공기를 포함함), 또는 중합체 물질 또는 다른 유전 물질(예를 들어, BCB)로 매립될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 그러한 중합체 물질이 상대적으로 높은 음향적 흡수율을 가지는 장점이 있을 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부가 상대적으로 높은 저항(즉, 진성 실리콘(intrinsic silicon))이거나, 제1 비아들(170A)을 정의하는 상기 측벽들이 제1 비아들(170A) 내에 제1 도전 물질(172)의 증착 이전에, 절연 중합체 또는 실리콘 산화막과 같은 절연체로 커버되었다면, 상기 인접하는 pMUT 소자들 사이의 전기적 분리를 위한 추가적인 분리 비아들(170B)이 필요하지 않을 수 있다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 지지 부재(180)(즉, 실리콘 기판)는, 예를 들어 접합을 통해서, 소자 기판(152)의 남은 실리콘부 및 제1 도전 물질(172)에, 예를 들어, 에폭시 또는 다른 점착막(182)을 사용하여 연결될 수 있다. 제2 비아들(184)은 이후, 예를 들어, 식각 공정(즉, DRIE)을 이용하여 지지 부재(180) 내에 형성될 수 있고, 제2 비아들(184)은 점착막(182)을 관통하여 연장하여 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부 및 제1 도전 물질(172)(소자 기판(152)의 상기 노출된 남은 실리콘부/제1 도전 물질(172)은 제2 비아(184)의 단부벽을 형성함)을 노출시킨다. 일부 측면들에 있어서, 제2 비아들(184)을 형성하기 위한 지지 부재(180)의 식각 공정 동안 상기 pMUT 웨이퍼의 다른 막들에 유해한 효과를 미치는 것을 방지하기 위해서, 저온 접합 물질은 점착막(182)으로서 적절할 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 점착막(182)은 SU-8과 같은 광영상화(photoimageable) 에폭시를 포함할 수 있고, 상기 광영상화 에폭시는 점착막(182)이 지지 부재(180)를 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부에 점착하기 이전에, 패터닝되어서 상기 pMUT 소자들의 상기 공간(footprint)에 대응하며, 측면으로 연장하는 개구들을 정의할 수 있다. 이러한 방식으로, 지지 부재(180)가 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부에 접합하기 전에, 제2 비아들(184)은 지지 부재(180) (및 지지 부재(180) 상에 증착된 컨포멀(conformal) 절연 물질(185), 아래에서 기재됨) 내에서 식각될 수 있다. 적절하게 정렬될 때, 지지 부재(180)는 이후 제2 비아들(184) 및 상기 대응하는 pMUT 소자들의 상기 공간(footprints)에 대한 영역 내에서 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부에 접착될 수 있다. 캐리어 기판(164)은 이후 제2 전극막(162)으로부터 제거될 수 있다.
도 6에서 도시된 바와 같이, 제2 비아들(184)(즉, 상기 "측벽들")을 정의하는 부분들을 포함하는 지지 부재(180)는 지지 부재(180) 상에 증착된 컨포멀 절연 물질(185)을 구비하고, 컨포멀 절연 물질(185)은 지지 부재(180)의 상기 노출된 표면들에 대해서 연장하고, 제2 비아들(184) 내에서 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부로 연장하고/하거나 지지 부재(180) 및 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부 사이에 배치된 점착막(182)과 연결된다. 금속과 같은 제2 도전 물질(186)은 이후 제2 비아들(184) 내에 증착되어서, 제2 도전 물질(186)은 제2 비아들(184)의 상기 단부벽을 형성하는 제1 도전 물질(172) 및 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부뿐만 아니라, 지지 부재(180)/점착막(182), 제2 비아들(184)을 정의하는 모든 구성요소들에 적용된 절연 물질(185)을 따라서 형성되는 동시에, 제2 도전 물질(186)의 적어도 일부는 상기 대응하는 제2 비아(184)의 외측으로 연장한다. 제2 도전 물질(186)은, 증착되어서, 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부를 관통하여 연장하는 제1 도전 물질(172)의 상기 부분과 직접적으로 전기적 연결을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 패럴린(parylene) 또는 다른 적합한 중합체들과 같은 중합체 물질을 포함하는 컨포멀 막(conformal layer)(189)은 또한, 예를 들어 소자 보호 및 수분 배리어 역할을 수행하기 위해서 제2 전극막(162) 상에 증착될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 상에 포함된 상기 pMUT 소자들이, 예를 들어, 솔더 범프(solder bump) 또는 다른 적합한 도전성 연결 프로비젼(provision)을 이용하여 IC, 유연 케이블(flex cable), 또는 다른 재분배 구성요소(redistribution element)(예를 들어, 도 9 참조)에 접합되어 특정 pMUT 소자의 제2 비아(184)로부터 연장하는 제2 도전 물질(186)과 상기 IC, 상기 유연 케이블 또는 상기 재분배 구성요소 (또는 다른 외부 소자) 사이에 도전성 연결을 제공할 수 있다. 본 발명의 측면들에 따른 그러한 웨이퍼 접합 접근법은 제1 도전 물질(172)을 통해서 제2 비아(184) 내에 증착된 제2 도전성 물질(186)(즉, 비아 금속화)과 제1/하부 전극막(156)의 직접적인 전기적 연결을 제공한다. 특정 측면들에 있어서, 제2 비아(184) 내에 제1 도전 물질(172)은 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부에 의해서 둘러싸이고(즉, 제2 비아(184)의 상기 측벽으로부터 멀어짐), 일부 실시예들에 있어서, 제2 비아(184) 내에 중심부에 위치한다(즉, 상기 제2 비아 단부 벽에 대해서 중심에 배치됨). 일부 실시예들에 있어서, 제2 비아들(184) 내의 절연 물질(185)의 부분들은 제2 비아(184)의 측벽 또는 가장자리보다 제2 비아(184)의 중심으로부터 보다 완벽하게 제거될 수 있으므로, 그러한 구성(중심부에 위치)은 제1 및 제2 도전 물질들(172, 186) 사이의 향상된 전기적 연결을 용이하게 한다. 당업자는 제1 도전 물질(172)이 "플러그 인 센터(plug in center)" 측면을 형성하는 단일 "플러그" 또는 복수의 보다 작은 "플러그"로 구성될 수 있다. 상기 후자의 구성의 가능한 장점은 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부의 상기 공명 특성들이 하나의 큰 불연속성과 비교하여 복수의 작은 불연속성에 의해서 보다 적게 영향을 받을 수 있다는 것이다.
본 발명의 추가적인 측면에 있어서, 제1 도전 물질(172)이 상기 pMUT 소자의 상기 제1/하부 전극과 전기-도전성 연결을 형성할 때, 제1 도전 물질(172)은 또한, 예를 들어, 상기 pMUT 소자 또는 이의 제1/하부 전극의 측면 가장자리에 배치되는 것과 비교하여 상기 pMUT 소자에 대해서 중심에 배치되도록 구성될 수 있다. 그러한 "중심에 배치된" 구성은, 예를 들어, 바람직하게 상기 제1/하부 전극과 상기 제1 도전 물질 사이 및/또는 상기 제1 도전 물질과 상기 제2 도전 물질 사이의 피로(fatigue)를 감소시킬 수 있다(상기 제1 도전 물질이 상기 제2 비아에 대해서 "플러그 인 센터" 측면을 형성하기 때문임). 그러한 "플러그 인 센터" 측면은 또한, 예를 들어, 바람직하게 상기 pMUT 소자의 상기 유연한 멤브레인(flexing membrane)의 상기 측면 가장자리에 대해서 음향적 불연속을 감소시키거나 소멸시킴으로서 진동 아티팩트들(vibrational artifacts)을 감소시키도록 역할을 할 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 지지 부재(180)는 제2 비아들(184)을 식각하기 전에, 도 5에 도시된 것과 비교하여 보다 얇아질 수 있다. 그러한 실시예들에 있어서, 여전히 연결된 캐리어 기판(164)과 함께, 지지 부재(180)는, 예를 들어, 후면 연마 또는 CMP 공정을 통해서, 약 10㎛와 약 50㎛ 사이의 두께로 얇아질 수 있고, 이는 지지 부재(180) 내에 작은 크기의 제2 비아들(184)이 식각되어 형성될 수 있게 한다. 전체 두께(~4000㎛) 지지 부재(180)를 구현하는 것은 최소 크기의 제2 비아(184)를 야기하고, 이는 실질적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 약 50㎛의 두께로 식각되고 및 메탈화될 수 있고, 이에 따라 8:1의 종횡비를 가지며 상기 연관된 pMUT 소자(들)의 주파수 반응을 약 20MHz 이하로 제한할 가능성이 있다. 보다 높은 주파수 반응 pMUT 소자(들)에 대해서, 보다 작은 제2 비아들 및 변환 소자들이 요구될 수 있다. 예를 들어, 약 40MHz의 주파수 반응을 갖는 pMUT 장치는 약 20㎛의 pMUT 장치 공간(footprint)을 요구할 수 있고, 이는 약 160㎛보다 작은 두께, 보다 바람직하게는 약 100㎛보다 작은 두께를 갖도록 박형화된 지지 부재(180)를 요구할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 보다 높은 주파수 반응은 향상된 해상도를 제공할 수 있다. 박형화된 지지 부재(180)를 포함하는 구성에 있어서, 상기 박형화 공정에 후속하는 공정 단계들은 캐리어 기판(164)이 여전히 연결된 상태에서 달성될 수 있다.
상기 산화물 성장 방법에 관한 본 발명의 측면들에 있어서, 상기 지지 부재는 상대적으로 두꺼운 산화물(즉, SiO2)막(200)(즉, "기판"으로서)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 7에서 도시된 바와 같이, 각각의 pMUT 소자와 연관된 제1 비아(170A)는 우선 실질적으로 제1 도전 물질(172)로 매립된다. 하지만, 본 발명의 이들 측면에 대해서, 금속과 같은 제1 도전 물질(172)은 산화없이 SiO2 성장 온도들(예를 들어, 적어도 약 250℃ 및 약 350℃ 사이)을 견디도록 선택된다. 일 실시예에 있어서, 제1 도전 물질(172)은, 예를 들어, 스퍼터링 및/또는 도금 공정을 통해서 증착된 금 또는 백금일 수 있다. 이후, 도 8에 도시된 바와 같이, 산화막(200)은, 예를 들어, PECVD 공정을 통해서 약 10㎛와 약 200㎛ 사이의 두께로 증착될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 산화막(200)은 분리 비아들(170B)을 실질적으로 매립하도록 증착될 수 있다. 제2 비아들(202)은 이후, 예를 들어, 깊은 비등방성 산화물 식각(deep anisotropic oxide etch; AOE)을 이용하여 산화막(200) 내에도 식각되어서 수직한 측벽들을 형성한다. 제2 비아들(202), 앞서 기재한 바와 같이, 산화막(200)을 통해서 소자 기판(152)의 상기 남은 실리콘부 및 제1 도전 물질(172)(즉, 제2 비아(202)의 단부벽)로 연장한다. 이에 따라, 산화막(200)은 전기적으로 절연되는 지지 부재(즉, 실리콘 지지 부재와 비교하여)를 제공할 수 있다. 제2 도전 물질(186)은 이후 산화막(200) 상에 직접적으로 증착될 수 있고, 상기 pMUT 소자들을 분리하도록 대략적으로 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 그러한 방법은 제2 도전 물질(186)의 증착 이전에 제2 비아들(202) 내에 추가적인 컨포멀 유전분리막을 제거할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 재분배 기판(204)은, 도 9에서 도시된 바와 같이, 접합과 같은 방법을 통해서 산화막(200)/제2 도전 물질(186)에 부착될 수 있다. 재분배 기판(204)이 박형화된다면, 캐리어 기판(164)은 그 공정이 완료될 때까지 연결되어 남아있어야 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 pMUT 소자들의 형성 이전에, SOI 기판의 상기 실리콘막 내에 비아를 통해서, 또는 실리콘 기판 상에 실리콘산화막 내에 비아를 관통하여 연장하는 전기-도전성(즉, 금속) "플러그들(plugs)"을 형성하여, 상기 비아를 통해서 연장하는 상기 플러그와 상기 제1/하부 전극막 사이에 직접적인 전기-도전성 연결을 제공한다. 상기 제1/하부 전극막과 상기 플러그 사이에 직접적인 접촉과 같은 직접적인 금속 대 금속 접촉은 도핑된 실리콘막과 비교하여 낮은 저항 전기-도전성 연결을 유리하게 제공할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 비아들(210)은, 예를 들어, 식각을 통해서 1차 기판(209) 상에 형성된 SOI 소자 기판(211)( 및 상기 표면에 성장된 열 실리콘산화물(SiO2) 막(212))의 상기 소자 실리콘막 내에 형성되거나, 실리콘 기판(214) 상에 두꺼운 실리콘산화물(SiO2)막(213) 내에 형성된다(도 11). 일부 실시예들에 있어서, 제1 비아들(210)은 약 2㎛ 내지 약 15㎛ 사이의 깊이를 가질 수 있고, 1차 기판(209) 또는 실리콘 기판(214)으로 연장하며, 각기 약 3㎛ 내지 약 10㎛ 사이의 지름을 가질 수 있다. 제1 비아(210)는 추가적으로, 예를 들어, 깊은 실리콘 RIE(DRIE) 또는 비등방성 산화물 RIE(AOE)와 같은 식각을 통해서 형성되어서, 제1 비아들(210)을 정의하는 실질적으로 수직인 측벽들을 형성할 수 있다. 상기 SOI 기판을 포함하는 측면들에 있어서, 예를 들어, 제1 비아들(210)의 상기 측벽들 상에 제1 비아들(210) 내에 전기적 분리를 제공하기 위한 상기 열 실리콘산화물(SiO2)을 성장시키기 위해서, 제1 비아들(210)의 형성이 이어서, 열산화 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 제1 도전막(215)은 이후 증착되어서 금속과 같은 전기-도전성 물질로 제1 비아들(210)을 실질적으로 매립할 수 있다(즉, 스퍼터링, 전자빔 진공증착기(e-beam evaporator) 또는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 수행하여 씨드막(seed layer)을 형성하고, 이후 전기도금 공정을 수행함). 상기 변환 소자의 상기 구성 요소들 중에서 하나가 압전 물질(예를 들어, 700℃에서 열처리된 PZT)이기 때문에, 상기 전기-도전성 물질은 Ti 점착막을 구비한 Pt와 같은 고온 금속이 적합하다. 그러한 물질은 또한 바람직하게 상기 변환 소자의 제1/하부 전극막(220)으로 구현될 수 있다. 제1 도전막(215)이 증착되면, 열산화막(212) 또는 두꺼운 산화막(213)으로부터 과도하게 도금된 금속을 제거하고, 이후 공정에서 상기 "플러그"를 형성하는 제1 도전막(215)의 연마된 제1 표면을 제공하기 위해서, 상기 증착면은, 예를 들어, CMP 공정을 이용하여 평탄화될 수 있다.
상기 평탄화 공정에 뒤이어, 앞서 언급하고 도 12에서 도시된 바와 같이 상기 변환 소자의 구성요소 막들이 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 구성요소 막들은, 예를 들어, 진공증착 공정에 의해서 증착된 Ti/Pt 물질을 포함하는 제1/하부 전극막(220)을 포함한다. 예를 들어, PZT 압전 필름과 같은 압전 물질막(225)은 이후, 예를 들어, 스핀 코팅/열처리 공정을 이용하여 증착된다. 선택적인 단계로서(예를 들어, SOI 기판을 구현하는 측면에서, 도 12에 도시된 바와 같이), 분리 트렌치들 또는 비아들(216)이 압전 물질막(225), 제1/하부 전극막(220), 열산화막(212), 소자 실리콘막(217) 및 매립 산화막(218)을 관통하도록 식각되어서, 상기 어레이(array) 내의 상기 변환 소자들/pMUT 요소들을 서로 전기적 및 음향적으로 분리할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 압전 물질막(225)은 식각되거나, 그렇지 않으면 제1/하부 전극막(220)이 이에 대해서 외부 측면으로 연장하도록 구성될 수 있다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 층간 유전막(230)(즉, 스핀 코팅 공정을 이용하여 증착된 BCB)이 이후 증착되어서, 층간 유전막(230)/압전 물질막(225) 상에 증착된 제2/상부 전극(235)과 제1/하부 전극(220) 사이에 전기적 분리를 제공한다. 압전 물질막(225)의 외부 측면으로 연장하는 제1/하부 전극막(220)을 포함하는 측면들에 있어서, 상기 BCB 물질은 또한 제1/하부 전극막(220) 상에 증착될 수 있고, 이에 따라 제1/하부 전극막(220)과 제2/상부 전극막(235) 사이에 배치될 수 있다. 그러한 구성(즉, 상기 압전 물질의 외부 측면으로 연장하는 전극(들))은, 예를 들어, 제1 및 제2 전극들(220, 235) 사이에 분리/절연막을 제공함으로써, 압전 물질(225)의 상기 가장자리들에 대해서 전기적 단락(합선) 방지할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 층간 유전막(230)은 또한, 앞선 언급한 바와 같이, 특히 분리 트렌치들(216)이 형성된 곳에서 (즉, 상기 분리 트렌치들 내의 층간 유전막(230)이 상기 변환 소자/pMUT 요소들 사이에 중합체-매립된 커프(kerf)를 형성하고, 압전(PZT) 요소들이 톱으로 다이싱(diced)되고, 상기 다이싱 커프(dicing kerf)가 음향적 분리를 위해서 중합체로 매립되는 표준적인 세라믹 변환기들과 유사함), 상기 변환 소자들/pMUT 요소들 사이의 음향적 감쇠 기능을 제공할 수 있다. 제2/상부 전극막(235)은, 예를 들어, 진공증착(evaporation) 공정에서 증착된 Ti/Au를 포함할 수 있다. 제1/하부 전극막(220)은 신호 전극으로 역할을 할 수 있는 반면에, 상기 제2/상부 전극막은 상기 변환 소자의 접지 전극으로 역할을 할 수 있다.
도 14에서 도시된 바와 같이, 1차 기판(209)은 이후, 예를 들어 DRIE(실질적으로 수직인 측벽들을 형성하기 위함) 공정을 통해서 식각되어서 제2 비아들(240)을 형성한다. 제2 비아들(240)은 1차 기판(209)을 통해서 소자 기판(211)(즉, 적어도 매립 산화막(218)까지)으로 연장하여, 제1/하부 전극(220)과 전기적으로 연결된 제1 도전막(215)을 노출시킨다. 제2 비아들(240)을 포함하는 1차 기판(209)은 이후, 예를 들어, 패럴린(parylene) 또는 TEOS SiO2와 같은 중합체 또는 산화물을 포함하는 유전막(245)(제2 비아들(240) 내에서 소자 기판(211)까지 연장함)으로 코팅되어서 제2 비아들(240)을 정의하는 1차 기판(209)을 전기적으로 분리할 수 있다. 예를 들어, Ti/Cu와 같은 금속을 포함하는 제2 도전 물질(250)이 이후, 예를 들어, 스퍼터링, 화학 기상 증착 및/또는 도금 공정을 통해서 증착되면서, 제2 도전 물질(250)은 제1 도전 물질(215) 및 이에 따른 제1/하부 전극(220)과 전기-도전성 연결을 형성하고, 제2 비아(240)의 외부로 연장한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 상에 포함되는 pMUT 소자들이 형성되며, 상기 pMUT 소자들은, 도 15에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 솔더 범프, 골드 스터드 범프(gold stud bump), 비등방성 도전성 에폭시 또는 다른 적절한 전기-도전성 연결 프로비젼들(connection provisions)을 이용하여, IC(예를 들어, 증폭기 또는 멀티플렉서와 같은 제어 IC), 인터포저(interposer)(예를 들어, 실리콘 또는 유연 케이블(flex cable)) 또는 재분배 구성요소에 접합되어서, 특정 pMUT 소자로부터 연장하는 제2 도전 물질(250)과 상기 IC, 유연 케이블, 또는 재분배 구성요소(260) 사이에 전기-도전성 연결을 제공할 수 있다.
제2 도전 물질(250), 제1 도전 물질(215) 및 제1/하부 전극(220) 사이의 상기 직접적인 전기-도전성 연결 경로는, 이에 따라, 상기 pMUT 소자와 상기 인터포저, IC 또는 재분배 구성요소(260)(또는 다른 외부 소자) 사이의 향상된 전기-도전성 연결을 제공한다. 그러한 측면들은, 특정 경우들에서, 의료 영상 분야에서 사용되는 초음파 변환 소자들에 대해서 장점을 가질 수 있다. 그러한 장치들에 대해서, 상대적으로 높은 전송 전압 신호(예를 들어, 약 10V와 약 100V 사이)가 상기 대향 전극들에 가해져서, 상기 pMUT 멤브레인(상기 압전 물질막)의 진동을 야기하여, 영상화될 조직으로 음향적 압력을 생성하거나 전달할 수 있다. 음향적 반향들은 이후 상기 조직으로부터 되돌아와서 상기 pMUT 멤브레인의 진동 및 상기 압전 물질막(예를 들어, mV 수준 또는 그 이하)에 의한 작은 수신 전압 신호들의 생성을 야기한다. 작은 수신 전압 신호들의 경우에, 제2 비아(240)를 통한 비선형적 전기적 전도, 높은 저항 또는 전기적 연결 불량이 일부 수신 전압 신호들이 상기 인터포저, IC 또는 재분배 구성요소(260)로 전파하는 것을 약화시키거나 방해할 수 있기 때문에, 상기 pMUT 소자 및 상기 인터포저, IC 또는 재분배 구성요소(260) 사이에 향상된 전기-도전성 연결은, 예들 들어, 신호 손실들(signal losses)을 감소시킬 수 있다. 상대적으로 높은 전송 전압 신호들에 대해서, 불량한 전도성은 상기 pMUT 소자 내에서 열 발생을 야기할 수 있고, 이에 따라 향상된 전기-도전성 연결은 상기 도전 경로에서 저항을 감소시킴으로서 상기 전파된 신호에 의한 열 발생을 감소시킬 수 있다.
많은 변형 실시예들 및 본 발명의 다른 측면들을 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자들은 용이하게 이해할 수 있으며, 상술한 발명의 상세한 설명 및 연관된 도면에서 기재된 본 발명의 장점들을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 여기에서 기재된 본 발명의 예시적인 방법들 및 측면들은, 예를 들면, 풀-웨이퍼 반도체 공정 및 상기 지지 부재의 웨이퍼-투-웨이퍼 접합에 대한 것이다. 하지만, 당업자는 본 발명의 그러한 방법들 및 측면들이, 예를 들어, 다이-투-웨이퍼(die-to-wafer) 또는 다이-투-다이(die-to-die) 접합 공정들에 대해서, 상기 지지 부재를 소자 기판들에 접합하는 것에 대해서, 또는 상기 지지 부재를 재분배 기판들 또는 IC 기판들에 접합하는 것과 같은 다른 공정들에도 적용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 기재된 특정 측면들에 의해서 한정되는 것이 아니며, 변형 실시예들 및 다른 측면들도 아래의 청구항의 권리 범위 내에 포함하려는 의도이다. 비록, 특정 용어들이 사용되었지만, 이들은 오직 포괄적이고 서술적인 의미에서 사용된 것이고, 한정적인 의미로 사용된 것이 아니다.

Claims (31)

1차 기판(primary substrate) 상에 배치된 소자 기판 상에 배치된 유전막 상에, 상기 유전막 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 압전 물질을 포함하는 변환 소자를 형성하는 단계;
캐리어 기판(carrier substrate)을 상기 제1 전극에 대향하는 상기 변환 소자의 상기 제2 전극에 접합하는 단계;
상기 1차 기판을 제거하는 단계;
상기 소자 기판 및 상기 유전막을 식각하여, 상기 제1 전극까지 연장하는 제1 비아(via)를 정의하는 단계;
제1 도전 물질을 증착하여, 상기 제1 비아를 실질적으로 매립하는 단계;
지지 부재를 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질과 연결하는 단계;
상기 변환 소자로부터 상기 캐리어 기판을 제거하는 단계;
상기 지지 부재를 식각하여, 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질로 연장하는 제2 비아를 정의하는 단계; 및
상기 제2 비아를 정의하는 상기 제1 도전 물질, 상기 소자 기판 및 상기 지지 부재 상에 제2 도전 물질을 증착하여, 상기 제2 도전 물질이 상기 제1 도전 물질과 전기적 연결을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 압전 초음파 변환 장치의 형성 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재를 연결하는 단계는 지지 기판을 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질에 접합하는 단계를 더 포함하고, 상기 방법은 상기 지지 부재를 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계 이후이고 상기 제2 도전 물질을 증착하는 단계 이전에, 상기 지지 기판 상에 상기 제2 비아 내에서 상기 소자 기판으로 연장하는 절연 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 지지 부재를 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계 및 상기 지지 기판 상에 상기 절연 물질을 증착하는 단계는 상기 지지 부재를 상기 소자 기판과 연결하기 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재를 연결하는 단계는 상기 소자 기판 및 상기 제1 도전 물질 상에 절연 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 소자 기판을 식각하여 상기 유전막으로 연장하는 분리 비아(isolation via)를 정의하는 단계를 더 포함하고, 상기 분리 비아는 인접하는 변환 소자들 사이에 측면으로 배치되어서, 상기 인접하는 변환 소자들을 서로 전기적으로 분리 및/또는 음향적으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 분리 비아 내에 유전 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 압전 물질은 상기 제1 전극이 상기 압전 물질의 외측 측면으로 연장하도록 구성되고, 상기 변환 소자를 형성하는 단계는 상기 압전 물질 및 상기 층간 유전 물질 상에 제2 전극을 형성하기 이전에, 상기 제1 전극 상에 층간 유전 물질을 적층하여, 상기 층간 유전 물질의 적어도 일부가 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 변환 소자를 형성하는 단계는 상기 제1 전극이 신호 전극으로 구성되고, 상기 제2 전극이 접지 전극(ground electrode)으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 전극들이 전기적으로 도전성 물질로 구성되도록 변환 소자를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 상기 제2 전극에 접합하는 단계는 상기 캐리어 기판을 상기 제2 전극에 이들 사이에 배치된 접합 물질로 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재를 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계는 상기 지지 부재를 식각하여 상기 지지 부재는 상기 제2 비아를 정의하는 측벽을 형성하고, 상기 측벽은 상기 소자 기판으로 연장하고 상기 소자 기판을 노출 시키며, 상기 노출된 소자 기판은 제2 비아 단부벽(end wall)을 더 정의하고, 상기 제1 도전 물질은 상기 제2 비아 단부벽에 대해서 상기 측벽으로부터 멀어지도록 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 지지 부재를 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계는 상기 제1 도전 물질이 상기 제2 단부벽에 대해서 상기 측벽으로부터 멀어지도록 안쪽으로 배치되도록 상기 지지 부재를 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 제거하기 이전에 상기 지지 부재를 박막화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제2 도전 물질을 증착하는 단계는 상기 제2 도전 물질이 상기 제2 비아의 외측으로 연장하고, 상기 제2 도전 물질이 적용되어서(adapted) 외부 소자와 전기적 연결을 형성하도록 상기 지지 부재 상에 제2 도전 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 방법.
기판 상에 배치된 소자막을 식각하여 상기 기판으로 연장하는 제1 비아를 정의하는 단계;
제1 도전 물질을 증착하여 상기 제1 비아를 실질적으로 매립하는 단계;
적어도 상기 제1 도전 물질 상에, 상기 제1 도전 물질 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 압전 물질을 포함하는 변환 소자를 형성하는 단계;
상기 기판을 식각하여, 상기 소자막 및 상기 제1 도전 물질로 연장하는 제2 비아를 정의하는 단계;
상기 기판 상에 절연 물질을 증착하는 단계;
상기 절연 물질은 상기 제2 비아로 상기 소자막으로 연장하며, 및
상기 제2 비아를 정의하는 상기 제1 도전 물질, 상기 소자막 및 상기 절연 물질 상에 제2 도전 물질을 증착하여, 상기 제2 도전 물질이 상기 제1 도전 물질과 전기적 연결을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 압전 초음파 변환 장치를 형성하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 변환 소자를 형성하는 단계 이전에 상기 소자막 및 상기 제1 도전 물질을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 압전 물질, 상기 제1 전극 및 상기 소자막을 식각하여 상기 기판으로 연장하는 분리 트렌치를 정의하는 단계를 더 포함하고, 상기 분리 트렌치는 인접하는 변환 소자들 사이에 측면으로 배치되어서, 상기 인접하는 변환 소자들을 서로 전기적 및/또는 음향적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 분리 트렌치 내에 층간 유전 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 압전 물질을 식각하는 단계는 상기 제1 전극이 상기 압전 물질의 외측으로 측면으로 연장하도록 상기 압전 물질을 식각하는 단계를 포함하고, 층간 유전 물질을 증착하는 단계는 상기 분리 트렌치 내에 층간 유전 물질을 증착하여, 상기 층간 유전 물질이 상기 제1 전극 상에 증착되고, 상기 제2 전극이 상기 압전 물질 및 상기 층간 유전 물질 상에 증착되며, 상기 층간 유전 물질의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 변환 장치를 형성하는 단계는 상기 제1 전극이 신호 전극으로 구성되고, 상기 제2 전극이 접지 전극으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 전극들이 전기적 도전 물질로 구성되도록 변환 장치를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 기판을 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계는 상기 기판이 상기 제2 비아를 정의하는 측벽을 형성하고, 상기 측벽이 상기 소자막으로 연장하고 상기 소자막을 노출시키며, 상기 노출된 소자막은 제2 비아 단부벽을 정의하고, 상기 제1 도전 물질이 상기 제2 비아 단부벽에 대해서 상기 측벽으로부터 먼 쪽으로 배치되도록 상기 기판을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 기판을 식각하여 상기 제2 비아를 정의하는 단계는 상기 제1 도전 물질이 상기 제2 비아 단부벽에 대해서 상기 측벽으로부터 먼 쪽으로 배치되도록 상기 기판을 식각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 제2 도전 물질을 증착하는 단계는 상기 절연 물질 상에 상기 제2 도전 물질을 증착하여, 상기 제2 도전 물질이 상기 제2 비아의 외부로 연장하고, 상기 제2 도전 물질이 외부 소자와 전기-도전성 연결을 형성하도록 적용되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
소자 기판 상에 배치된 유전막 상에 배치되며, 상기 유전막 상에 배치된 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 압전 물질을 포함하는 변환 소자(상기 소자 기판 및 상기 유전막은 상기 제1 전극으로 연장하는 제1 비아를 정의하도록 구성됨);
상기 제1 비아를 실질적으로 매립하도록 구성된 제1 도전 물질; 및
상기 소자 기판과 연결되고, 상기 소자 기판으로 연장하여 이를 노출시키는 제2 비아를 정의하는 측벽을 형성하는 지지 부재를 포함하고,
상기 노출된 소자 기판은 제2 비아 단부벽을 추가적으로 정의하고, 상기 제1 도전 물질은 상기 측벽으로부터 이격되어 상기 제2 비아에 대해서 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 변환 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 제1 도전 물질은 상기 측벽으로부터 이격되어 상기 제2 비아에 대해서 중심부로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 제2 비아를 정의하는 상기 제1 도전 물질, 상기 소자 기판 및 상기 지지 부재 상에 배치되는 제2 도전 물질을 더 포함하고, 상기 제2 도전 물질은 상기 제1 도전 물질과 전기-도전성 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 25 항에 있어서, 상기 제2 도전 물질은 상기 제2 비아의 외부로 연장하도록 구성되고, 상기 제2 도전 물질은 외부 소자와 전기-도전성 연결을 형성하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 지지 부재와 상기 제2 도전 물질 사이에 배치된 절연 물질을 더 포함하고, 상기 절연 물질은 상기 제2 비아 내에서 상기 소자 기판으로 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 소자 기판 상에 배치된 절연 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 소자 기판은 상기 유전막으로 연장하는 분리 비아를 더 정의하고, 상기 분리 비아는 인접하는 변환 소자들 사이에 측면으로 배치되어서, 상기 인접하는 변환 소자들을 서로 전기적 및/또는 음향적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 29 항에 있어서, 상기 분리 비아 내에 증착된 유전 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 압접 물질은 상기 제1 전극이 상기 압전 물질의 외측 측면으로 연장하도록 구성되고, 상기 압전 물질과 층간 유전 물질 상에 상기 제2 전극이 증착되기 전에, 상기 층간 유전 물질은 상기 제1 전극 상에 증착되어서, 상기 층간 유전 물질의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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