KR20160011104A - 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법 - Google Patents

초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법 Download PDF

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KR20160011104A KR1020140092162A KR20140092162A KR20160011104A KR 20160011104 A KR20160011104 A KR 20160011104A KR 1020140092162 A KR1020140092162 A KR 1020140092162A KR 20140092162 A KR20140092162 A KR 20140092162A KR 20160011104 A KR20160011104 A KR 20160011104A
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Abstract

초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법이 개시된다.
개시된 초음파 변환기는, 기판, 제1절연층, 제1박막층을 포함하는 웨이퍼, 상기 제1박막층 상의 지지부, 상기 지지부에 의해 지지되는 제2박막층, 제1박막층과 제2박막층 사이의 캐비티, 및 상기 제2박막층 상의 공통 접지 전극을 포함한다.

Description

초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법{Ultrasonic transducer and method of manufacturing ultrasonic transducer}
본 발명의 실시예는 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법에 관한 것이다.
초음파 변환기(ultrasonic transducer, MUT)는 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하거나, 반대로 초음파 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있는 장치이다. 초음파 변환기는 예를 들어, 의료 영상 진단 기기에 사용되는데, 비침습적(non-invasive)으로 신체의 조직이나 기관의 사진이나 영상을 얻을 수 있다. 초음파 변환기는 그 변환 방식에 따라서, 압전형 초음파 변환기(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT), 정전 용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT), 자기형 초음파 변환기(magnetic micromachined ultrasonic transducer, mMUT) 등으로 나뉠 수 있다. 그 중에 정전 용량형 초음파 변환기가 많이 사용된다.
정전 용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT)는 실리콘 웨이퍼 위에 미세 가공된 수백 또는 수천 개에 달하는 진동막의 변위차를 이용하여 초음파를 송수신한다. cMUT는 일반 반도체 공정에 이용되는 실리콘 웨이퍼 위에 박막을 구비하고, 웨이터와 박막 사이에 캐비티(cavity)를 구비할 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼, 박막, 캐비티에 의해 커패시터가 형성될 수 있다. 커패시터에 교류 전류를 흘리면 박막이 진동하고, 이로부터 초음파가 발생될 수 있다. 정전 용량형 초음파 변환기는 상기 박막에 의해 물이나 오일 등의 접촉 매질 없이도 초음파의 송수신이 가능하여, 사용하기 편리하다.
본 발명의 실시예는 외부로 향한 면에 그라운드 전극 패드를 가지는 초음파 변환기를 제공한다.
본 발명의 실시예는 외부로 향한 면에 그라운드 전극 패드를 가지는 초음파 변환기를 간단하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기는,
기판;
상기 기판 상의 제1절연층;
상기 제1절연층 상에 구비되고, 적어도 하나의 절연부를 구비하여 전기적으로 독립되는 복수 개의 엘리먼트로 분할되는 제1박막층;
상기 제1박막층 상에 구비되는 복수 개의 지지부;
상기 복수 개의 지지부에 의해 지지되는 제2박막층;
상기 제1박막층과 제2박막층 사이의 캐비티;
상기 제1박막층 상에 상기 복수 개의 엘리먼트에 각각 구비된 적어도 하나의 신호 전극 패드; 및
상기 제2박막층 상의 공통 접지 전극;을 포함할 수 있다.
상기 기판은 실리콘을 포함하고, 제1박막층은 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 기판과, 제1절연층, 제1박막층은 SOI 웨이퍼를 구성할 수 있다.
상기 제1박막층은 박막 실리콘층일 수 있다.
상기 제1박막층은 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1절연층 상에 제1박막층이 접촉되어 결합될 수 있다.
상기 제1박막층 상에 제2절연층이 더 포함될 수 있다.
상기 제2절연층에서 상기 지지부에 인접한 위치에 홈이 구비될 수 있다.
상기 제2박막층의 캐비티측 면에 제3절연층이 더 포함될 수 있다.
상기 절연부가 상기 제2박막층의 하면에까지 연장 관통될 수 있다.
상기 복수 개의 엘리먼트는 1차원적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은,
제1기판, 제1절연층 및 제1박막층을 포함하는 제1웨이퍼를 형성하는 단계;
상기 제1박막층 위에 제2절연층을 증착하는 단계;
상기 제2절연층을 식각하여 갭을 형성하는 단계
상기 제2절연층과 제1박막층이 관통되도록 식각하여 절연부를 형성하는 단계;
제2기판, 제3절연층, 및 제2박막층을 포함하는 제2웨이퍼를 형성하는 단계;
상기 제2박막층이 상기 제2절연층과 마주보도록 제2웨이퍼를 상기 제2절연층에 결합하여 상기 갭을 캐비티로 형성하는 단계;
상기 제3절연층과 제2기판을 제거하는 단계; 및
상기 제2박막층 상에 공통 접지 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1기판, 제2기판은 실리콘을 포함하고, 상기 제1박막층 및 제2박막층은 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 SOI 웨이퍼일 수 있다.
상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 결합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기는 바깥 쪽에 그라운드 전극 패드가 배치되어 보다 안전하게 초음파 변환기를 사용할 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 간단한 공정을 통해 그라운드 전극 패드와 신호 전극 패드를 배치할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 초음파 변환기의 변형 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환기를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법에 선택적으로 추가될 수 있는 단계를 도시한 것이다.
도 16 내지 도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기 및 초음파 변환기의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때 그 층의 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 초음파 변환기(100)의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다. 초음파 변환기(100)는 전기적으로 독립적으로 구동되는 복수 개의 엘리먼트(EL)를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 예를 들어 1차원적으로 배열될 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 적어도 하나의 셀(CELL)을 포함할 수 있다. 셀(CELL)은 후술하는 캐비티에 의해 정의되는 최소 초음파 진동 단위일 수 있다. 도 1에서는 셀이 원형 단면 형상을 가지는 예를 도시하였으나, 셀의 형상은 여기에 한정되는 것은 아니고, 사각형 단면 형상, 다각형 단면 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기(100)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2는 편의상 도 1의 A-A 선 단면도를 펼쳐서 본 도면이다. 도 1은 엘리먼트(EL)와 셀(CELL)의 관계를 보여주고, 전극 구조를 보여 주기 위해 개략적으로 도시한 것이고, 도 1과 도 2가 정확하게 1:1 메칭되는 것은 아니다. 도 2를 참조하면, 기판(110) 상에 제1절연층(115)이 구비되고, 상기 제1절연층(115) 상에 제1박막층(120)이 구비될 수 있다. 상기 제1박막층(120)은 예를 들어, 제1절연층(115) 상에 다른 층의 삽입 없이 직접 접촉하게 배치될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(110)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제1박막층(120)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1박막층(120)은 실리콘을 포함할 수 있다. 제1박막층(120)은 저저항 실리콘으로 형성될 수 있으며, 고농도로 도핑되어 저저항을 가질 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 도전성 재질로 형성될 수 있다. 제1박막층(120)은 전극으로 사용될 수 있다.
상기 기판(110), 제1절연층(115), 및 제1박막층(120)은 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1박막층(120)은 실리콘 박막층일 수 있다. 한편, 상기 제1박막층(120)은 예를 들어, 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 제1박막층(120)의 두께가 여기에 한정되는 것은 아니고, 제1박막층(120)을 식각하여 절연부(128)를 형성하는데 용이한 한도 내에서 두께를 변경할 수 있다.
제1절연층(115)은 예를 들어, 산화물 또는 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 상기 제1박막층(120)은 적어도 하나의 절연부(128)를 구비할 수 있다. 상기 절연부(128)에 의해 제1박막층(120)이 복수 개의 엘리먼트(EL)로 분할될 수 있다. 상기 절연부(128)는 제1박막층(120)을 관통하여 형성되어 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
상기 제1박막층(120) 상에 적어도 하나의 지지부(135)가 구비될 수 있다. 상기 적어도 하나의 지지부(135)는 복수 개의 엘리먼트(EL)에 각각 구비될 수 있다. 상기 지지부(135)는 각 엘리먼트(EL)마다 하나의 몸체로 이어져 형성되거나, 복수 개의 경우에는 서로 이격되게 배열될 수 있다. 그리고, 지지부(135) 사이에 제1갭(G1)과 제2갭(G2)이 구비될 수 있다.
상기 지지부(135) 상에 상기 제1갭(G1)을 덮도록 제2박막층(130)이 구비될 수 있다. 그리고, 제1박막층(120)과 상기 제2박막층(130) 사이에 캡(C)이 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2박막층(130)이 지지부(135) 위에 구비될 때, 지지부 사이의 공간인 제1갭(G1)이 캐비티(C)로 전환될 수 있다. 상기 캐비티(C)의 높이는 지지부(135)의 두께에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 지지부(135) 사이의 제2갭(G2)에 적어도 하나의 전극 패드가 구비될 수 있다. 예를 들어, 하나의 엘리먼트에 제1전극 패드(141)가 구비되고, 다른 엘리먼트에 제2전극 패드(142)가 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(141)(124)는 각 엘리먼트(EL)에 구동 신호를 인가하는 신호 전극 패드일 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)는 엘리먼트(EL)마다 적어도 하나 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)는 엘리먼트(EL)의 일측 단부에 구비될 수 있다. 도 1에서는 전극 패드(141)(142)가 엘리먼트(EL)마다 하나 구비된 예를 도시하였으나, 여기에 한정되는 것은 아니고 엘리먼트(EL)마다 복수 개 구비되는 것도 가능하다.
한편, 도 2에서는 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)가 제2갭(G2)에 구비된 예를 도시하였으나, 이것은 예시적인 것이며, 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)가 측면이 개방된 형태를 가지는 제2 박막층(120) 상에 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)는 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Cu, Sn, Ag, Al, Pt, Ti, Ni, Cr 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제2박막층(130)은 예를 들어, 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2박막층(130)은 실리콘을 포함할 수 있다. 제2박막층(130)은 예를 들어, 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2박막층(130) 상에 전극(145)이 구비될 수 있다. 상기 전극(145)은 공통 접지 전극일 수 있다. 상기 전극(145)은 모든 엘리먼트(EL)에 공통으로 사용될 수 있다.
한편, 각 셀(CELL) 내의 제1박막층(120) 상에 제2절연층(126)이 더 구비될 수 있다. 상기 제2절연층(126)은 제2박막층(130)이 제1박막층(120)과 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 캡(C)의 간격이 작아 제2박막층(130)이 진동시 제1박막층(120)과 접촉될 수 있고, 이때 상기 제2절연층(126)이 제1박막층(120)과 제2박막층(130)이 전기적으로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2절연층(126)과 지지부(135) 같은 재질로 형성될 수 있다. 상기 제2절연층(126)과 지지부(135)는 일체로 형성되거나 다른 몸체로 형성될 수 있다. 절연부(128)는 상기 제1 박막층(120)으로부터 상기 제2박막층(130)의 하면까지 연장되어 형성될 수 있다. 여기서, 제2박막층(130)의 하면은 상기 제1박막층(120)을 마주보는 면일 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
제1 및 제2 전극 패드(141)(142)를 통해 하부 전극인 제1박막층(120)과 상부 전극인 공통 접지 전극(145)에 DC 전압이 인가되면, 제2박막층(130)은 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145) 사이의 정전력과 제2박막층(130)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 그리고, 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145)에 AC 전압이 인가되면, 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145) 사이의 정전력 변화에 의해서 제2박막층(130)이 진동할 수 있다. 그리고, 이 진동에 의해서 제2박막층(130)으로부터 초음파 신호가 송신될 수 있다. 다음, 초음파 변환기의 수신 동작에 대해 설명한다. 초기화를 위해, 제1 및 제2 전극 패드(141)(142)를 통해 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145)에 DC 전압이 인가되면, 제2박막층(130)은 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145) 사이의 정전력과 제2박막층(130)에 미치는 중력이 평행을 이루는 높이에 위치할 수 있다. 이 상태에서, 외부로부터 물리적 신호, 예를 들어, 음향 신호가 제1박막층(120)에 입력되면, 제1박막층(120)과 공통 접지 전극(145) 사이의 정전력이 변할 수 있다. 초음파 변환기가 이 변화된 정전력 을 감지하여 외부로부터의 음향 신호를 수신할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기는 제1박막층(120)을 하부 전극으로 사용하고, 제1박막층(120)에 엘리먼트를 전기적으로 절연시키는 절연부(128)를 구비한다. 그럼으로써, 제1박막층(120)에 절연부(128)를 형성하는 공정을 간단하게 할 수 있다. 그리고, 상기 제1박막층(120)을 통해 각 엘리먼트에 신호 전압을 인가하고, 인체에 접촉하는 쪽에 있는 제2박막층(130) 상에 공통 접지 전극(145)을 구비함으로써 환자에 대해 보다 안정적으로 초음파 변환기를 사용할 수 있도록 한다.
다음, 도 3은 도 2에 도시된 초음파 변환기를 변형한 예를 도시한 것이다.
도 2와 도 3을 비교할 때, 동일한 부재 번호를 사용하는 부재는 실질적으로 동일한 기능 및 작용을 하는 것이므로, 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도 3을 참조하면, 각 셀(CELL)의 캐비티(C)에 있는 제2절연층(126)에 홈(127)이 구비될 수 있다. 상기 홈(127)은 제2절연층(126)과 지지부(135) 사이에 구비될 수 있다. 제조 과정 중에 생성된, 초음파 변환기의 성능을 저하시킬 수 있는 부분을 제거할 때, 상기 홈(127)이 형성될 수 있다. 상기 홈(127)에 대해서는 뒤에서 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환기(200)를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 기판(210) 상에 제1절연층(215)이 구비되고, 상기 제1절연층(215) 상에 제1박막층(220)이 구비될 수 있다. 상기 제1박막층(220)은 예를 들어, 제1절연층(215) 상에 다른 층의 삽입 없이 직접 접촉하게 배치될 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(210)은 예를 들어, 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제1박막층(220)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1박막층(220)은 실리콘을 포함할 수 있다. 제1박막층(220)은 저저항 실리콘으로 형성될 수 있으며, 고농도로 도핑되어 저저항을 가질 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 도전성 재질로 형성될 수 있다. 제2박막층(120)은 전극으로 사용될 수 있다.
상기 기판(210), 제1절연층(215), 및 제1박막층(220)은 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1박막층(220)은 실리콘 박막층일 수 있다. 한편, 상기 제1박막층(220)은 예를 들어, 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 제1박막층(220)의 두께가 여기에 한정되는 것은 아니고, 제1박막층(220)을 식각하여 절연부(228)를 형성하는데 용이한 한도 내에서 두께를 변경할 수 있다.
제1절연층(215)은 예를 들어, 산화물 또는 질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어 실리콘 산화물로 형성될 수 있다. 상기 제1박막층(220)은 적어도 하나의 절연부(228)를 구비할 수 있다. 상기 절연부(228)에 의해 제1박막층(220)이 복수 개의 엘리먼트(EL)로 분할될 수 있다. 상기 절연부(228)는 제1박막층(220)을 관통하여 형성되어 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)을 전기적으로 절연시킬 수 있다.
상기 제1박막층(220) 상에 적어도 하나의 지지부(235)가 구비될 수 있다. 상기 적어도 하나의 지지부(235)는 복수 개의 엘리먼트(EL)에 각각 구비될 수 있다. 상기 지지부(235)는 각 엘리먼트(EL)마다 하나의 몸체로 이어져 형성되거나, 복수 개의 경우에는 서로 이격되게 배열될 수 있다. 그리고, 지지부(235) 사이에 제1갭(G1)과 제2갭(G2)이 구비될 수 있다.
상기 지지부(235) 상에 상기 제1갭(G1)을 덮도록 제2박막층(230)이 구비될 수 있다. 그리고, 제1박막층(220)과 상기 제2박막층(230) 사이에 캡(C)이 구비될 수 있다. 즉, 상기 제2박막층(230)이 지지부(235) 위에 구비될 때, 지지부 사이의 공간인 제1갭(G1)이 캐비티(C)로 전환될 수 있다. 상기 캐비티(C)의 높이는 지지부(235)의 두께에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 지지부(235) 사이의 제2갭(G2)에 적어도 하나의 전극 패드가 구비될 수 있다. 예를 들어, 하나의 엘리먼트에 제1전극 패드(241)가 구비되고, 다른 엘리먼트에 제2전극 패드(242)가 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(241)(224)는 각 엘리먼트(EL)에 구동 신호를 인가하는 신호 전극 패드일 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(241)(242)는 엘리먼트(EL)마다 적어도 하나 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(241)(242)는 엘리먼트(EL)의 일측 단부에 구비될 수 있다. 도 1에서는 전극 패드(141)(142)가 엘리먼트(EL)마다 하나 구비된 예를 도시하였으나, 여기에 한정되는 것은 아니고 엘리먼트(EL)마다 복수 개 구비되는 것도 가능하다.
상기 제1 및 제2 전극 패드(241)(242)는 전도성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극 패드(241)(242)는 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Au, Cu, Sn, Ag, Al, Pt, Ti, Ni, Cr 또는 이들의 혼합물 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제2박막층(230)은 예를 들어, 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2박막층(230)은 실리콘을 포함할 수 있다. 제2박막층(230)은 예를 들어, 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다. 하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2박막층(230) 상에 전극(245)이 구비될 수 있다. 상기 전극(245)은 공통 접지 전극일 수 있다. 상기 전극(245)은 모든 엘리먼트(EL)에 공통으로 사용될 수 있다.
한편, 각 셀(CELL) 내의 제2박막층(230)의 일면에 제2절연층(226)이 더 구비될 수 있다. 상기 제2절연층(226)은 제2박막층(230)이 제1박막층(220)과 마주보는 면에 구비될 수 있다. 상기 제2절연층(226)은 제2박막층(230)이 제2박막층(220)과 쇼트되는 것을 방지할 수 있다. 캡(C)의 간격이 작아 제2박막층(230)이 진동시 제1박막층(220)과 접촉될 수 있고, 이때 상기 제2절연층(226)이 제1박막층(220)과 제2박막층(230)이 전기적으로 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 절연부(228)는 상기 제1 박막층(220)으로부터 상기 제2박막층(230)의 하면까지 연장되어 형성될 수 있다. 여기서, 제2박막층(230)의 하면은 상기 제1박막층(220)을 마주보는 면일 수 있다.
다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 5를 참조하면, 제1기판(310) 상에 제1절연층(315)을 증착하고, 제1절연층(315) 상에 제1 박막층(320)을 증착할 수 있다. 상기 제1기판(310)과 제1 박막층(320)은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제1기판(310), 제1절연층(315) 및 제1 박막층(320)을 포함하는 제1웨이퍼(305)를 준비할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1기판(310), 제1절연층(315), 제1 박막층(320)은 제1 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(305)로 구성될 수 있다. 상기 제1 박막층(320)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1박막층(320)은 저저항 실리콘으로 형성될 수 있으며, 고농도로 도핑되어 저저항을 가질 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 도전성 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 제1박막층(320)은 예를 들어 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1박막층(320) 상에 제2절연층(322)이 증착될 수 있다. 상기 제2절연층(322)을 식각하여 제1갭(323)을 형성할 수 있다. 제2절연층(322)을 식각하여 제1박막층(320)이 노출되도록 할 수 있다. 이 때, 제2절연층(322)을 식각하고 남은 부분이 후술되는 제2박막층을 지지하는 지지부가 될 수 있다. 도 6을 참조하면, 식각된 제2절연층(322) 상에 제3절연층(326)이 더 증착될 수 있다. 상기 제2절연층(322)과 제3절연층(325)은 산화막 또는 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2절연층(322) 상에 제3절연층(326)이 적층되어 지지부(335)가 될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제3절연층(326), 제2절연층(322) 및 제1박막층(320)을 식각하여 절연부(328)를 형성할 수 있다. 절연부(328)는 전기적으로 독립된 단위를 구성하는 복수 개의 엘리먼트(EL)를 만들 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 예를 들어, 1차원 구조로 배열될 수 있다. 상기 제1박막층(320)의 두께가 얇으므로 절연부(328)를 용이하게 만들 수 있다.
도 8을 참조하면, 제2기판(333) 상에 제4절연층(332)이 증착되고, 상기 제4절연층(332) 상에 제2박막층(330)이 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2기판(333)과, 제4절연층(332)과, 제2박막층(330)을 포함하는 제2웨이퍼(334)를 준비할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2기판(333), 제4절연층(332), 제2 박막층(330)은 제2 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(334)로 구성될 수 있다.
상기 제2웨이퍼(334)를 상기 제2절연층(326)이 적층된 제1웨이퍼(305)와 결합시킬 수 있다. 상기 제2웨이퍼(334)를 제1웨이퍼(305)와 결합시, 제2웨이퍼(334)의 제2박막층(330)이 상기 지지부(335)와 제2절연층(326)을 마주보도록 하여 결합시킬 수 있다. 상기 제1웨이퍼(305)와 제2웨이퍼(334)는 예를 들어, 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 결합될 수 있다. 하지만, 본딩 방법이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 상기 제2기판(333)과 제4절연층(332)을 제거하고, 제2박막층(330)만을 남길 수 있다. 상기 제1박막층(320)과 제2박막층(330) 사이에 캐비티(C)가 형성될 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 제2박막층(330)과 지지부(325)를 식각하여 제2갭(335)을 형성할 수 있다. 그리고, 도 11에 도시된 바와 같이, 도 10에 도시된 결과물 위에 전극층(340)을 적층할 수 있다. 도 12를 참조하며, 상기 전극층(340)을 패터닝하여 상기 제2갭(335)의 제1박막층(320) 상에 전극 패드를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 엘리먼트에 제1전극 패드(341)를, 다른 엘리먼트에 제2전극 패드(342)를 형성할 수 있다. 상기 제1전극 패드(341)와 제2 전극 패드(342)는 각 엘리먼트에 신호 전압을 인가하는 신호 전극 패드로 사용될 수 있다. 그리고, 상기 제2박막층(340) 상에 공통 접지 전극(345)이 형성될 수 있다. 상기 공통 접지 전극(345)은 모든 엘리먼트에 공통으로 적용될 수 있다. 이와 같이 공통 접지 전극(345)이 인체에 접촉하는 상면에 구비됨으로써 초음파 변환기가 안전하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 제1 웨이퍼(305)와 제2 웨이퍼(334)를 직접 결합하여 제조할 수 있으므로, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
다음, 도 13 내지 도 15는 추가 공정을 나타낸 것으로 선택적으로 추가될 수 있다. 도 13을 참조하면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 제2절연층(322) 상에 제3절연층(326)을 증착할 때, 제조 공정 중에 제1갭(323)의 상단부에 다른 부분보다 돌출된 부분(BP)이 생성될 수 있다. 상기 돌출된 부분(BP)으로 인해 상기 제3절연층(326) 상에 제2웨이퍼(305)를 결합할 때(도 8 참조) 제2웨이퍼(305)의 제2 박막층(330)의 밀착성이 저하될 수 있다. 엘리먼트 내의 셀(CELL)의 사이즈에 따라 상기 지지부(335)에 대한 제2박막층(330)의 밀착성 저하가 초음파 변환기의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상기 돌출된 부분(BP)을 제거하는 단계가 더 추가될 수 있다. 도 14를 참조하면, 상기 지지부(325)의 상기 돌출된 부분(BP)을 식각하여 제거할 수 있다. 돌출된 부분(BP)의 식각시 제2절연층(326)의 일부가 같이 식각되어 홈(328)이 형성될 수 있다.
도 15를 참조하면, 엘리먼트와 엘리먼트 사이를 전기적으로 절연하기 위해 제2절연층(322), 제3절연층(326) 및 제1박막층(320)을 식각하여 절연부(328)를 형성할 수 있다. 이후 공정은 도 10 내지 도 12와 동일한 방법으로 진행될 수 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 공정을 추가함으로써, 제조 과정 중에 생성된, 초음파 변환기의 성능을 저하시킬 수 있는 부분을 제거하여 초음파 변환기의 성능을 향상할 수 있다.
다음, 도 16 내지 도 22를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 제조 방법을 설명한다.
도 16을 참조하면, 제1기판(410) 상에 제1절연층(415)을 증착하고, 제1절연층(415) 상에 제1 박막층(420)을 증착할 수 있다. 상기 제1기판(410)과 제1 박막층(420)은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제1기판(410), 제1절연층(415) 및 제1 박막층(420)을 포함하는 제1웨이퍼(405)를 준비할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1기판(410), 제1절연층(415), 제1 박막층(420)은 제1 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(405)로 구성될 수 있다. 상기 제1 박막층(420)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1박막층(420)은 저저항 실리콘으로 형성될 수 있으며, 고농도로 도핑되어 저저항을 가질 수 있다. 저저항 실리콘은 예를 들어, 대략 0.01 Ωcm 이하의 비저항(resistivity)을 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 도전성 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 제1박막층(420)은 예를 들어 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1박막층(420) 상에 제2절연층(422)이 증착될 수 있다. 상기 제2절연층(422)을 식각하여 제1갭(423)을 형성할 수 있다. 제2절연층(422)을 식각하여 제1박막층(420)이 노출되도록 할 수 있다. 이 때, 제2절연층(422)을 식각하고 남은 부분이 제2박막층을 지지하는 지지부(435)가 될 수 있다. 도 17을 참조하면, 상기 제2절연층(422)과 제1박막층(420)을 식각하여 절연부(428)를 형성할 수 있다. 상기 절연부(428)에 의해 제1절연층(415)이 노출될 수 있다.
상기 절연부(428)는 전기적으로 독립된 단위를 구성하는 복수 개의 엘리먼트(EL)를 만들 수 있다. 상기 복수 개의 엘리먼트(EL)는 예를 들어, 1차원 구조로 배열될 수 있다. 상기 제1박막층(420)의 두께가 얇으므로 절연부(428)를 용이하게 만들 수 있다.
도 18을 참조하면, 제2기판(433) 상에 제3절연층(432)이 증착되고, 상기 제3절연층(432) 상에 제2박막층(430)이 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2기판(433)과, 제4절연층(432)과, 제2박막층(430)을 포함하는 제2웨이퍼(434)를 준비할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2기판(433), 제3절연층(432), 제2 박막층(430)은 제2 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(434)로 구성될 수 있다.
상기 제2웨이퍼(434) 상에 제4절연층(426)이 더 증착될 수 있다. 상기 제4절연층(426)이 적층된 제2웨이퍼(434)를 제1웨이퍼(405)에 결합시킬 수 있다. 상기 제2웨이퍼(434)를 제1웨이퍼(405)와 결합시, 제2웨이퍼(434)의 제4절연층(426)이 상기 제2절연층(422)을 마주보도록 하여 결합시킬 수 있다. 상기 제1웨이퍼(405)와 제2웨이퍼(434)는 예를 들어, 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 결합될 수 있다. 하지만, 본딩 방법이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 19를 참조하면, 상기 제2기판(433)과 제3절연층(432)을 제거하고, 제2박막층(430)만을 남길 수 있다. 상기 제1박막층(420)과 제2박막층(430) 사이에 캐비티(C)가 형성될 수 있다. 도 20을 참조하면, 상기 제2박막층(430), 제4절연층(426), 제2절연층(422)을 식각하여 제2갭(435)을 형성할 수 있다. 그리고, 도 21에 도시된 바와 같이, 도 20에 도시된 결과물 위에 전극층(440)을 적층할 수 있다. 도 22를 참조하면, 상기 전극층(440)을 패터닝하여 상기 제2갭(435)의 제1박막층(420) 상에 전극 패드를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 엘리먼트에 제1전극 패드(441)를, 다른 엘리먼트에 제2전극 패드(442)를 형성할 수 있다. 상기 제1전극 패드(441)와 제2 전극 패드(442)는 각 엘리먼트에 신호 전압을 인가하는 신호 전극 패드로 사용될 수 있다. 그리고, 상기 제2박막층(440) 상에 공통 접지 전극(445)이 형성될 수 있다. 상기 공통 접지 전극(445)은 모든 엘리먼트에 공통으로 적용될 수 있다. 이와 같이 공통 접지 전극(445)이 인체에 접촉하는 상면에 구비됨으로써 초음파 변환기가 안전하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환기 제조 방법은 제1 웨이퍼(405)와 제2 웨이퍼(434)를 직접 결합하여 제조할 수 있으므로, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
상기한 초음파 변환기 및 그 제조 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
EL...엘리먼트, CELL...셀
110,210,310,410...기판, 115,215,315,415...절연층
120,220,320,420...제1박막층, 130,230,330,430...제2박막층
135,235,335,435...지지부,
141,142,241,242,341,342,441,442...전극 패드
145,245,345,445...공통 접지 전극
105,205,305,405,334,434...웨이퍼

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 제1절연층;
    상기 제1절연층 상에 구비되고, 적어도 하나의 절연부를 구비하여 전기적으로 독립되는 복수 개의 엘리먼트로 분할되는 제1박막층;
    상기 제1박막층 상에 구비되는 복수 개의 지지부;
    상기 복수 개의 지지부에 의해 지지되는 제2박막층;
    상기 제1박막층과 제2박막층 사이의 캐비티;
    상기 제1박막층 상에 상기 복수 개의 엘리먼트에 각각 구비된 적어도 하나의 신호 전극 패드; 및
    상기 제2박막층 상의 공통 접지 전극;을 포함하는 초음파 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 포함하고, 제1박막층은 실리콘을 포함하는 초음파 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판과, 제1절연층, 제1박막층은 SOI 웨이퍼를 구성하는 초음파 변환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1박막층은 박막 실리콘층인 초음파 변환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1박막층은 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가지는 초음파 변환기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1절연층 상에 제1박막층이 접촉되어 결합된 초음파 변환기.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1박막층 상에 제2절연층이 더 포함된 초음파 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2절연층에서 상기 지지부에 인접한 위치에 홈이 구비된 초음파 변환기.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2박막층의 캐비티측 면에 제3절연층이 더 포함된 초음파 변환기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연부가 상기 제2박막층의 하면에까지 연장 관통된 초음파 변환기.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 엘리먼트는 1차원적으로 배열된 초음파 변환기.
  12. 제1기판, 제1절연층 및 제1박막층을 포함하는 제1웨이퍼를 형성하는 단계;
    상기 제1박막층 위에 제2절연층을 증착하는 단계;
    상기 제2절연층을 식각하여 갭을 형성하는 단계
    상기 제2절연층과 제1박막층이 관통되도록 식각하여 절연부를 형성하는 단계;
    제2기판, 제3절연층, 및 제2박막층을 포함하는 제2웨이퍼를 형성하는 단계;
    상기 제2박막층이 상기 제2절연층과 마주보도록 제2웨이퍼를 상기 제2절연층에 결합하여 상기 갭을 캐비티로 형성하는 단계;
    상기 제3절연층과 제2기판을 제거하는 단계; 및
    상기 제2박막층 상에 공통 접지 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1기판, 제2기판은 실리콘을 포함하고, 상기 제1박막층 및 제2박막층은 실리콘을 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼는 SOI 웨이퍼인 초음파 변환기 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1박막과 제2박막층은 박막 실리콘층인 초음파 변환기 제조 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1박막층과 제2박막층은 0보다 크고 10㎛ 이하의 범위의 두께를 가지는 초음파 변환기 제조 방법.
  17. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1절연층 상에 제1박막층이 접촉되어 결합된 초음파 변환기 제조 방법.
  18. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2절연층 상에 제4절연층을 증착하는 단계를 더 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  19. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2박막층 상에 제5절연층을 증착하는 단계를 더 포함하는 초음파 변환기 제조 방법.
  20. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연부에 의해 복수 개의 엘리먼트가 구획되고, 상기 복수 개의 엘리컨트 영역은 1차원적으로 배열된 초음파 변환기 제조 방법.
  21. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1웨이퍼와 제2웨이퍼를 실리콘 직접 본딩(Silicon Direct Bonding) 방법에 의해 결합하는 초음파 변환기 제조 방법.
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