KR20190080038A - 초음파 압전 소자, 초음파 압전 소자의 제조방법, 초음파 압전 센서 및 초음파 압전 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법은, 기판을 가공하여, 일측면(101)으로부터 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100d)이 형성된 몰드(100)를 획득하는 제1 단계, 상기 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입되도록, 상기 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 상기 압전 물질(151)을 공급하는 제2 단계, 상기 몰드(100)의 타측면(102)이 배치되는 제1 공간(V1)의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간(100d)의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하는 제3 단계 및 상기 복수의 홀(100d)에 충진된 상기 압전 물질(151)을 소결시키는 제4 단계를 포함할 수 있다.

Description

초음파 압전 소자, 초음파 압전 소자의 제조방법, 초음파 압전 센서 및 초음파 압전 센서의 제조방법{A piezoelectric element, method for manufacturing the same, a piezoelectric sensor and method for manufacturing with thereof}

본 발명은 초음파 지문 인식 센서에 사용되는 초음파 압전 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 분말화시킨 압전 물질을 사용하여 Molding 방식을 통해 압전 로드(rod)를 제조함에 있어, 제조과정 중 특히, 몰드에 물질이 충진된 상태에 기인하는 압전 로드의 불량률을 현저히 감소시킴으로써, 생산 수율과 제조 공정 효율이 향상된 초음파 압전 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 초음파 압전 센서에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 그 주파수가 인간의 가청 주파수 범위인 약 20kHz보다 커서 인간이 청각을 이용하여 들을 수 없는 음파(약 20 ~ 1000 kHz)를 지칭하는 것으로, 본질적으로 가청 범위의 음파와 성질이 유사하나, 주파수가 높고 파장이 짧기 때문에 상당히 강한 진동이 생기므로, 일반적인 음파에서 볼 수 없는 방향성을 갖는 짧은 펄스 성질을 갖는다.

상기와 같은 초음파의 특성을 이용한 초음파 센서는, 초음파를 외부로 발생시키고, 이렇게 발생된 초음파가 물체와 부딪혀서 되돌아오는 반사파를 수신하여 감지 대상 물체와의 거리 혹은 감지 대상 물체의 움직임 또는 형태, 형상을 감지하는 저음압용 검출센서로 이용되거나, 또는 초음파 용접기와 초음파 세척기 등에 고음압용으로 이용되고 있다.

일반적으로 상기 초음파 센서는 크게 초음파 송수신부, 구동부 및 기구부품으로 구성된다. 상기 초음파 송수신부는 구동부로부터 교류전압을 인가받아 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파에 대응하여 되돌아오는 반사파를 수신하여 구동부에 전달한다. 상기 초음파의 송수신부의 주요 구성 부품은 기판과 압전소자이다.

상기 기판에 인가되는 전류로 인해 압전소자에 교류전류가 통전되면, 결정(압전물질)이 압축과 팽창을 반복하여 기계적인 진동이 발생하는 역압전이 발생된다. 예컨대, 상기 압전소자에 외력이 가해져 수축과 팽창이 반복되면 압전소자(150)의 한쪽에는 양(+)전하가, 다른 쪽에는 음(-)전하가 생겨 전류가 발생된다.

상기 초음파 센서에서 초음파를 발생시키는 경우, 외부로부터 교류 전류가 압전소자에 가해져서, 압전소자의 수축과 팽창이 반복된다. 이에 의해 발생하는 진동은 커버기판에 전달되고, 상기 커버기판의 진동이 공기 중의 소밀파를 발생시켜 초음파를 외부로 발생시킨다.

반대로, 초음파 센서에서 발생된 초음파가 대상체에 반사되어 되돌아오는 경우, 공기 중의 소밀파가 커버기판에 전달되어 변위가 발생되고, 이 변위에 의한 압전소자의 수축 및 팽창에 의해 반사파를 수신할 수 있다.

이러한 초음파를 활용하여 감지 대상 물체와의 거리 혹은 감지 대상물체의 움직임 또는 형태, 형상을 감지하는 초음파 센서는 다양한 분야에서 널리 사용중이며, 그 중에서도 개인 정보에 대한 신뢰성 있는 보안을 유지하기 위하여 휴대용 또는 개인 정보가 필요한 곳에서 in-situ로 각각 개별적인 신원의 확인할 수 있도록 특정 신호를 감지하고, 이를 해독하는 보안 시스템에 활용되고 있으며, 그 중에서도 개개인의 생체 정보를 인식하여 개인 인증하는 장치에 사용될 수 있다.

일 예로 생체정보 중 지문을 인식하여 개인 인증시 상기 언급한 바와 같은 초음파 센서를 사용할 수 있으며, 이러한 초음파 방식의 지문 인식 센서의 경우 복수의 압전 센서에서 방출되는 일정 주파수의 초음파 신호가 지문의 골(Valley)과 마루(Ridge)에서 반사되는 경우 각각의 골과 마루에서의 음향 임피던스(Acoustic Impedance)차이를 초음파 발생원인 해당 복수의 압전 센서를 이용해 측정하여 지문을 감지하는 방식으로 단순한 지문 인식의 기능을 넘어서 초음파를 펄스(pulse) 형으로 발생시켜 그 반향파에 의한 도플러 효과를 검출함으로써 손가락 내부의 혈류 흐름을 파악할 수 있는 기능을 갖고 있으므로, 이를 이용하여 위조 지문 여부까지 판단할 수 있는 장점이 있다.

이러한 초음파 센서의 경우 복수의 압전물질의 진동을 통해 발생되는 일정 주파수의 초음파 신호를 통해 반사된 초음파 신호를 감지하여 대상체를 인식하기 때문에 반사된 초음파의 신호가 노이즈가 적고, 반사파의 강도가 일정 수준 이상이 되어야 한다. 상기 반사파의 신호 강도를 향상시키기 위해서 다양한 연구가 진행되고 있다.

한국공개특허 제2016-0067549호(2016.06.14 공개)

본 발명은 압전 센서의 생산 수율을 향상시키기 위하여 분말화시킨 압전 물질을 사용하여 분사-가압공정을 통해 압전 로드를 제조함으로써, 제조된 압전 로드의 불량률을 현저히 저감시켜 품질이 향상된 압전 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 압전 센서, 그리고 이를 포함하는 초음파 센서를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법은, 기판을 가공하여, 일측면(101)으로부터 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100d)이 형성된 몰드(100)를 획득하는 제1 단계, 상기 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입되도록, 상기 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 상기 압전 물질(151)을 공급하는 제2 단계, 상기 몰드(100)의 타측면(102)이 배치되는 제1 공간(V1)의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간(100d)의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하는 제3 단계 및 상기 복수의 홀(100d)에 충진된 상기 압전 물질(151)을 소결시키는 제4 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 상기 제1 단계는, 상기 기판을 가공하여, 상기 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈(100f)을 형성하는 단계 및 상기 복수의 홈(100f)을 구성하는 각각의 홈의 바닥면과 상기 몰드(100)의 타측면(102)을 관통하는 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 상기 제1 단계는,

상기 기판을 가공하여, 상기 일측면(101)으로부터 상기 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100e)을 형성하는 단계 및 상기 복수의 홀(100e)을 구성하는 각각의 홀이 포함되도록 상기 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음판 압전 소자 제조방법의 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 동시에 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 상기 제3 단계는, 상기 몰드(100)의 일측면(101)과 대응되는 형상으로 형성된 가압부에 의해 상기 몰드(100)의 일측면(101)이 가압되는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 상기 제3 단계는, 상기 몰드(100)를 밀폐된 가압 반응기(10) 내에서 가압하여 상기 복수의 홀(100d)에 유입된 상기 압전 물질(151)이 밀집되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계를 1회 이상 반복할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자는, 본 발명의 초음파 압전 소자 제조방법에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 센서 제조방법은 초음파 압전 소자를 준비하는 단계, 압전 로드(155)가 돌출되도록 몰드(100)를 식각하는 식각단계, 상기 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재(120)를 충진하는 단계, 상기 절연재(120)를 충진하는 단계를 통해 가려진 압전 로드(155)의 일 측면이 노출될 때까지 에칭한 다음, 노출된 압전 로드의 일 측면에 소정의 패턴으로 하부전극(171)을 형성하는 단계, 상기 하부전극(171)이 형성된 표면에 더미 기판(110)을 접착하는 단계 및 상기 더미 기판(110)이 접착된 몰드의 베이스 부분(100b)을 제거하여 노출된 압전 로드(155)의 타 측면에 소정의 패턴으로 상부전극(172)을 형성하여 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 센서 제조방법은 상기 압전 로드(155)들을 형성하는 단계와 식각단계 사이에, 상기 몰드의 가장 자리부(100a)에 비아 영역(131)을 에칭하는 단계 및 상기 비아 영역(131)에 전도성 물질을 충진시켜 전도성 필러(132)를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 센서 제조방법은 상기 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계 후에, 상기 초음파 압전 센서 어레이 상의 동일한 열에 배치된 복수의 압전 소자에 반도체 테스트용 프로브를 사용하여 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 센서 제조방법은 본 발명의 초음파 압전 센서 제조방법에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그는, 기판을 가공하여 획득된 몰드 - 일측면으로부터 타측면을 향하여 관통된 복수의 홀이 형성됨 - 의 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀에, 상기 일측면으로부터 공급된 압전 물질이 충진되도록, 상기 몰드의 타측면이 배치되는 제1 공간의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하도록 하기 위한 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그에 있어서, 상기 몰드의 타측면의 크기와 같거나 크게 형성된 채, 상기 몰드의 타측면과 대향하는 제1 면, 상기 제1 면과 일정 거리 이격되어 배치되며, 흡입부와 연결되는 제2 면 및 상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하여 형성되고, 상기 흡입부로부터 제공된 흡입력이 상기 제1 면과 상기 몰드의 타측면 사이에 제공되도록 하는 압력조절부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그의 상기 압력조절부는, 상기 제1 면으로부터 함입된 제1 연결공과 상기 제2 면으로부터 함입된 제2 연결공이 연통되어 형성되며, 상기 제1 연결공은, 상기 제2 연결공으로부터 분기되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그의 상기 제1 연결공은, 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치와 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그의 상기 제1 연결공은, 상기 제1 면으로부터 연속적으로 형성된 채, 상기 복수의 홀과 연통될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그의 상기 압력조절부는, 상기 제1 면으로부터 함입되어 상기 제1 연결공과 연통되는 연결홈을 더 구비하며, 상기 연결홈은, 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치를 포함하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그의 상기 제2 연결공의 종단면적의 크기는, 상기 제1 연결공의 종단면적의 크기보다 클 수 있다.

본 발명은, 분말화시킨 압전 물질을 사용하여 분사-가압공정을 통해 압전 로드를 제조함으로써, 제조된 압전 로드의 불량률을 현저히 저감시켜 생산 수율이 향상된 압전 센서를 제조할 수 있다.

또한, 압전 센서 내 도전성 필러를 형성함으로써, 추가로 상부 전극과 하부 전극을 연결하는 와이어 본딩 없이 상부 전극과 하부 전극을 통전시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 센서를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 센서를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3a 내지 3f는 본 발명의 압전 센서를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 전도성 필러를 형성하고 난 뒤, 평탄화 공정을 통해 평탄화된 몰드를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 식각 단계를 통해 식각된 몰드를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 하부 전극을 형성하기 전, 절연층의 일부가 평탄화 공정으로 제거되어 평탄화된 상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 웨이퍼를 개략적으로 나타낸 모식도 이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 기판 상에 형성된 압전 센서가 포함된 초음파 센서를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그를 도시한 개략도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 형테에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그를 도시한 개략도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상부" 또는 "하부" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있을 경우뿐만 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함하며, "상부"와 "하부"는 도면을 기준으로 정의한 것으로서 보는 관점에 따라 "상부"가 "하부"로 "하부"가 "상부"로 변경될 수 있다.

어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있을 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서의 도면은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 이해하고 실시할 수 있도록 도시된 것으로 그 크기나 간격은 실제와 동일하지 않을 수 있음을 이해하여야 한다.

초음파 압전 소자 제조방법

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전소자는, 후술할 초음파 압전 센서에 구비되는 압전 소자에 관한 것이다.

본 발명의 초음파 압전 소자 제조방법은 우선, 기판을 가공하여 몰드(100)를 획득하는 제1 단계를 진행할 수 있다. 기판의 가공은 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 통해 실리콘 기판과 같은 기판을 식각하여 구현될 수 있다.

상기 포토리소그래피는 원하는 회로설계를 유리판 위에 금속 패턴으로 형성된 마스크(mask)라는 원판에 빛을 조사하여 생기는 그림자를 기판 상에 전사시겨 복사하는 방법으로, 설계된 소정의 형태의 패턴을 기판 상에 형성하는 방법 중 하나이다.

이와 같은 포토리소그래피 방법은, 기판의 표면에 감광제 조성물을 균일하게 도포하는 코팅공정(Coating), 도포된 감광막으로부터 용매를 증발시켜 감광막이 기판의 표면에 부착되게 하는 소프트 베이킹 공정(Soft baking), 자외선 등 과 같은 광원을 이용하여 마스크 상의 회로패턴을 반복적, 순차적으로 축소 투영하면서 감광막을 노광시켜 마스크의 패턴을 감광막 상으로 전사하는 노광공정(Light exposure), 광원에 대한 노출을 통해 감광에 따라 용해도 차와 같은 물리적 성질이 다르게 형성된 부분들을 현상액을 사용하여 선택적으로 제거하는 현상공정(Development), 현상공정 후 잔류하는 감광막을 기판 상에 보다 밀착시켜 고착화시키기 위한 하드 베이킹 공정(Hard baking), 현상된 감광막의 패턴에 따라 일정영역을 에칭하는 식각공정(Etching) 및 식각공정 후 잔존하는 감광막을 제거하는 스트립공정(Strip) 등으로 진행될 수 있다.

이와 같은 포토리소그래피 방법은, 기판의 표면에 감광제 조성물을 균일하게 도포하는 코팅공정(Coating), 도포된 감광막으로부터 용매를 증발시켜 감광막이 기판의 표면에 부착되게 하는 소프트 베이킹 공정(Soft baking), 자외선 등과 같은 광원을 이용하여 마스크 상의 회로패턴을 반복적, 순차적으로 축소 투영하면서 감광막을 노광시켜 마스크의 패턴을 감광막 상으로 전사하는 노광공정(Light exposure), 광원에 대한 노출을 통해 감광에 따라 용해도 차와 같은 물리적 성질이 다르게 형성된 부분들을 현상액을 사용하여 선택적으로 제거하는 현상공정(Development), 현상공정 후 잔류하는 감광막을 기판 상에 보다 밀착시켜 고착화시키기 위한 하드 베이킹 공정(Hard baking), 현상된 감광막의 패턴에 따라 일정영역을 에칭하는 식각공정(Etching) 및 식각공정 후 잔존하는 감광막을 제거하는 스트립공정(Strip) 등으로 진행될 수 있다.

상기 코팅공정에서 기판의 표면에 도포되는 감광제 조성물은 노광공정을 통해 마스크 원판의 회로설계를 기판 상으로 전사하기 위한 매개체로, 이러한 감광제 조성물은 특정 파장의 광에 노출될 경우 현상액에서의 용해도가 변하는 특성이 있다. 이러한 특징을 이용하여 포토리소그래피의 현상공정 중 빛에 노출된 부분과 노출되지 않은 부분을 선택적으로 제거하는 식각공정을 통해 원하는 형상의 패턴을 기판 상에 형성할 수 있다.

일 예로 상기 몰드를 형성하는 단계는, 먼저 a) 준비된 기판에 포토레지시트(Photo resist)를 형성한다.

이 때, 상기 기판은 일반적으로 반도체 공정에서 사용되는 기판이면 사용 가능하며, 일 예로 실리콘 단결정 기판, SOI(Silicon-on-insulator)기판, 저마늄(Germanium, Ge)기판, 갈륨-인(Gallium-Phosphorus)기판, 갈륨-비소(Gallium-Arsenic)기판 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 둥근 형태의 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 상기 포토레지스트는 감광성 특징을 가진 물질로, 통상적으로 포토리소그래피 방법에서 사용되는 것을 사용할 수 있다.

준비된 기판에 포토레지스트를 형성하는 방법은, 스핀코팅방법, 스프레이코팅방법, 딥코팅방법 중 하나를 사용할 수 있다. 일 예로 스핀코팅방법을 사용할 경우 상기 기판 상에 포토레지스트를 형성하고 난 다음, PAB(Post applied bake) 을 통해 포토레지스트 내 용매를 일부 제거하여 상기 기판 상에 포토레지스트를 안정적으로 형성시킬 수 있다.

다음으로, b) 노광/현상 공정을 통해 패턴에 따라 포토 레지스트를 제거한다. 즉, 소정의 형태의 마스크 패턴이 부착된 유리 기판을 상기 기판 상에 정렬하여 포토 레지스트를 농과시켜 마스크 패턴이 없는 영역의 포토 레지스트를 제거할 수 있다. 이 때, 상기 노광/현상 공정을 의해 마스크 패턴이 없는 영역의 포토 레지스트는 제거되고, 마스크 패턴이 존재하는 영역의 포토레지스트는 기판상에 남아 있게 된다.

이와 반대로, 포토레지스트의 종류에 따라 마스크 패턴이 존재하는 영역의 포토레지스트를 제거하는 방식으로 패너팅을 수행하는 것도 가능하다.

상기 c) 노광/현상 공정을 통해 기판 상에 형성된 부분의 포토레지스트가 제거된 부분은 식각공정을 통해 홈이 형성된다. 상기 식각공정은 일반적으로 습식 식각법과 건식 식각법으로 나눌 수 있다.

일반적으로 습식 식각법은 화학용액을 이용해 상기 기판 상의 포토레지스트가 제거된 부분의 표면과 화학 반응을 일으킴으로써, 기판 상에 홈을 형성할 수 있다. 이러한 습식 식각법은 일반적으로 등방성 식각(Isotropic etching)이기 때문에 언더컷이 발생하며, 정확한 패턴 형성이 어렵다. 또한 공정 제어가 어렵고, 식각할 수 있는 선폭이 제한적이며, 부가적으로 생성되는 식각 용액의 처리가 어렵다는 단점이 있다.

이에, 이러한 습식 식각법의 단점을 보완할 수 있는 건식 식각법을 주로 사용하고 있다.

일반적으로 건식 식각법은 반응가스를 진공 챔버에 주입시킨 후, 전력을 인가하여 플라즈마를 형성시킬 수 있다. 이를 통해 기판의 표면과 화학적 또는 물리적으로 반응시켜 기판 상의 포토레지스트가 제거된 부분을 식각할 수 있다.

상기 건식 식각법은 이방성 식각(Antisotropic etching)이 가능하며, 공정 제어가 용이하고, 정확한 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 본 발명에서는 건식 식각법을 통해 식각공정을 수행할 수 있다.

상기 식각공정을 통해 기판에 홈이 형성되면, 상기 기판 상에 잔존해 있는 포토레지스트를 완전히 제거하여 몰드를 형성할 수 있다.

이와 같이 몰드를 형성하는 단계를 통해 제조된 몰드(100)는, 바닥 부분인 베이스(100b), 식각되어 형성된 복수의 홀(100d), 홀과 홀의 사이 부분인 기둥부(100c), 기둥부를 제외한 몰드의 나머지 부분인 가장자리부(100a)를 포함할 수 있다.

다음, 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입되도록, 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 압전 물질(151)을 공급하는 제2 단계를 진행할 수 있다.

본 명세서 내 도면에서는 복수의 홀의 수평단면을 사각형 형태로 형성시킴으로써 압전 로드(155)를 사각기둥 형태로 형성된 것을 도시하였으나, 상기 복수의 홀의 수평단면은 사각형, 원형, 사다리꼴, 마름모, 다각형 등 그 형태가 특별히 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이를 통해 제조된 압전 로드 역시 다양한 형태의 수평단면을 기둥형태로 형성될 수 있다.

도 3a를 참조하면, 제1 단계를 통해 형성될 복수의 홀(100d)은, 압전 물질(151)이 충진되어 압전 로드(155)가 형성될 홈과, 홈과 연통되어 압전 물질(151)의 홈으로의 충진이 용이하게 구현되도록 하는 홀로 형성될 수 있다. 여기서, 복수의 홀(100d)은 두 가지 방법에 의해 형성될 수 있다.

첫째, 기판을 가공하여, 몰드(100)의 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈(f)을 형성하는 단계 및 복수의 홈(100f)을 구성하는 각각의 홈의 바닥면과 몰드(100)의 타측면(102)을 관통하는 홀을 형성하는 단계를 통해 구현될 수 있다.

간략히, 복수의 홀(100d)은, 홈을 먼저 형성하고, 홈과 연통된 홀을 형성하여 구현될 수 있다.

둘 째, 기판을 가공하여, 몰드(100) 일측면(101)으로부터 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100e)을 형성하는 단계 및 복수의 홀(100e)을 구성하는 각각의 홀이 포함되도록 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈을 형성하는 단계를 통해 구현될 수 있다.

간략히, 복수의 홀(100d)은, 홀을 먼저 형성하고, 홀과 연통된 홈을 형성하여 구현될 수 있다.

상술한 제1 단계는, 복수의 홀(100d)을 형성하는 홈과 홀의 크기가 상이한 경우를 전제하여 설명하였으나, 복수의 홀의 크기가 동일한 단면적으로 형성되는 경우, 몰드(100)의 일측면(101)으로부터 타측면(102)을 향하여 홀을 형성하는 단일 식각 가공에 의해 복수의 홀이 형성될 수 있음은 당연하다.

한편, 제2 단계는 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입되도록, 상기 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 상기 압전 물질(151)을 공급하는 단계일 수 있다.

도 3b를 참조하면, 제2 단계는 몰드(100) 상에 압전 물질(151)을 분사하여 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 채우는 단계일 수 있다.

구체적으로, 제2 단계는 몰드(100) 상에 분말화된 압전 물질을 분사하여 복수의 홀에 압전 물질(151)을 채우는 단계로서, 바람직하게는 10 ~ 100 ㎛ 입자 크기로 분쇄되어 분말화된 압전 물질을 1 ~ 5 ㎫ 압력으로 스프레이건(Spay gun)으로 건식 분사하여 상기 복수의 홀에 압전 물질을 채울 수 있다.

이 때, 사용되는 압전 물질(151)은 PZT(PbZrO3)계 화합물, PST(Pb(Sc, Ta)O3계 화합물, 석영, (Pb, Sm)TiO3계 화합물, PMN(Pb(MgNb)O3-PT(PbTiO3)계 화합물, PVDF(Poly(vinylidene fluoride))계 화합물 및 PVDF-TrFe계 화합물로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 제2 단계에서 10 ~ 100 ㎛ 입자 크기로 분쇄되어 분말화된 압전 물질(151)을 사용할 수 있는데, 상기 분말화된 압전 물질의 입자 크기가 10㎛ 미만일 경우 너무 미세하여 건식 분사 시 산발적으로 분사되어 복수의 홀 외 다른 부분에 쌓일 수 있어 재료의 허비할 수 있고, 분쇄에 많은 에너지가 소모되어 경제성이 저하될 수 있으며, 분말화된 압전 물질의 입자 크기가 100 ㎛을 초과할 경우 압전 물질 사이 사이에 공간이 형성되어 압전 로드 내 기공(air vent), 기포, 공기간극(air gap) 등이 형성될 수 있다.

더욱 바람직하게는 상기 제2 단계에서 분말화된 압전 물질을 건식 분사 시, 몰드를 500 ~ 700 ℃ 온도로 가열할 수 있다. 이와 같이 제2 단계에서 몰드를 가열하게 되면, 건식 분사되어 복수의 홀에 쌓이는 압전 물질 사이에 형성된 공기가 줄어들게 되고, 이로 인해 압전 물질들의 사이가 밀집되어 더욱 치밀하게 적층될 수 있다.

압전 로드(155)는 후술할 초음파 압전 센서 내 포함되어 전압이 인가되면 초음파를 발생 및 수신할 수 있다.

구체적으로, 압전 물질이 진동할 수 있는 초음파 대역의 공진주파수를 갖는 교류 전압이 압전 센서 내 압전 로드에 인가되면 압전 로드가 상하, 좌우로 진동될 수 있으며, 이와 같이 압전 로드가 상하, 좌우로 진동하게 되면 소정의 주파수를 갖는 초음파 신호를 생성할 수 있다.

따라서, 압전 센서에 전압을 인가하여 초음파를 발생, 수신하여 정확히 대상체를 인지 하기 위해서는, 압전 로드 내 압전 물질이 조밀하게 형성되어야 하며, 또한 제조하고자 하는 압전 로드의 형태가 손상되지 않고 완전해야 하는데 이를 위해, 압전 로드 내부에 구멍, 공극, 기공(air vent), 기포, 공기간극(air gap) 등이 형성되지 않도록 하여야 한다.

일 예로, 압전 센서 내 압전 로드(155)를 형성하기 위해서는 복수의 홀이 형성된 몰드에 절연막을 증착한 후, 압전 물질을 주입하여 형성할 수 있다.

이 때 사용되는 절연막은 이산화규소, 질화규소, 삼산화이알루미늄 등이 사용될 수 있다. 절연막 증착방법으로는 물리적기상증착법 또는 화학적기상증착법을 통해 증착하여 형성될 수 있다. 한편, 물리적기상증착법으로는 스퍼터링 또는 전자 빔 증착법 등을 예로 들 수 있다.

이렇게 몰드에 절연막을 증착한 후, 압전 물질을 주입하는 방법은 압전 재료를 주입하고, 위에서 평평한 누름판을 사용하여 가압하여 식각된 부분에 빈틈이 생기지 않도록 주입할 수 있으며, 일 예로 Jenopik 사의 HEX04와 같은 핫엠보싱 장비를 사용하여 압전 물질을 주입할 수 있는데, 이러한 압전 물질의 주입 방법이 공지되어 있음을 의미하는 것은 아님을 밝혀둔다.

그러나, 누름판을 사용하여 압전 물질을 주입하여 압전 로드를 제조할 경우 압전 물질이 충분히 각각의 홀 내부로 균질하고 밀집되게 주입되지 못하며 이로 인해 충진된 압전 물질 사이에 구멍, 공극, 기공(air vent), 기포, 공기간극(air gap)이 형성되어 불량인 압전 로드를 형성할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 압전 물질을 분말화시켜, 미세한 입자 형태로 몰드(100) 상에 분사하는 동시에 압전 물질이 충진되는 복수의 홀(100d) 내의 압력을 변화시켜, 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 조밀하게 충진할 수 있다.

이와 같은, 복수의 홀(100d) 내의 압력 변화는 제3 단계에서 구현될 수 있다.

구체적으로, 제3 단계는 몰드(100)의 타측면(102)이 배치되는 제1 공간(V1)의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간(100d)의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하는 단계일 수 있다.

상술한 제2 단계에서 압전 물질(151)은 몰드(100)의 일측면(101)을 향하여 분사되는데, 제3 단계는 몰드(100)의 타측면(102)에 설치된 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그에 의해 구현될 수 있다. 상기 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그(이하, 지그)에 관하여는 도 11 및 도 12를 참조로 상세히 설명하기로 한다.

몰드(100)의 타측면(102)은 지그에 의해 포위된 채, 지그와의 사이에 형성된 공간(V1)의 압력 변화에 따라 몰드(100)에 형성된 복수의 홀(100d)의 압력 변화를 야기할 수 있다.

구체적으로, 지그에 의해 제1 공간(V1)의 압력이 낮아지면, 복수의 홀(100d)이 형성하는 공간 내의 공기는 지그를 향해 위치 이동되고, 이 때 몰드(100)의 일측면(101)으로 공급된 압전 물질(151)은 지그에 의해 형성된 압력 구배에 따라 복수의 홀(100d)을 향해 이동되어 복수의 홀(100d)에 충진될 수 있다.

일례로, 제1 공간(V1)은 지그에 의해 진공상태가 되어 대기압 상태인 복수의 홀(100d)과 압력 구배를 형성할 수 있다. 여기서, 지그는 제1 공간(V1)의 압력이 복수의 홀(100d)이 형성하는 공간의 압력보다 작도록 구현하면 되므로, 본 발명의 압력 구배가 진공 상태를 통해 구현되는 것으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 복수의 홀(100d) 중, 이후에 압전 로드(155)를 형성하는 공간의 단면적은 이후에 제거될 베이스(100b)에 형성된 홀의 단면적보다 크게 형성되어 홀을 통해 압전 물질(151)이 모두 통과되는 것이 어렵도록 한다. 다시 말해, 압전 물질(151)은 복수의 홀(100d)에 빈 공간이 없도록 충진될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법은, 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계가 동시에 구현될 수 있다.

구체적으로, 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 압전 물질(151)을 공급하는 동시에 몰드(100)의 타측면(102)이 배치되는 제1 공간(V1)의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간(100d)의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하여, 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입/충진되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 제3 단계는, 몰드(100)의 일측면(101)과 대응되는 형상으로 형성된 가압부에 의해 몰드(100)의 일측면(101)이 가압되는 단계를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 몰드(100)의 복수의 홀(100d)에 유입된 압전 물질(151)은, 복수의 홀(100d)과 몰드(100)의 일측면(101) 상에 위치할 수 있는데, 이 때 가압부는 일측면(101)과 접촉된 채, 일측면(101)을 가압하여, 압전 물질(151)의 복수의 홀(100)로의 위치 이동을 강제하는 동시에 복수의 홀(100d)에 유입된 압전 물질(151)이 밀집되도록 할 수 있다. 여기서, 가압부는 일종의 프레스일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조방법의 제3 단계는 몰드(100)를 밀폐된 가압 반응기(10) 내에서 가압하여 상기 복수의 홀(100d)에 유입된 상기 압전 물질(151)이 밀집되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 가압 반응기(10) 내부로 공기 및/또는 질소가스의 비활성(inent) 분위기 하에서 약 3 ~ 20 ㎫의 압력을 가하여 복수의 홀 내 채워진 압전 물질을 치밀하게 충진시키고, 채워진 압전 물질 사이에 형성된 공기를 제거하여 기공(air vent), 기포 혹은 공기간극(air gap) 등을 제거할 수 있다.

뿐만 아니라, 복수의 홀에 채워진 압전 물질을 밀집시켜 복수의 홀에 충진된 압전 물질의 밀도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 후속 공정의 제4 단계(소결 단계)에서 압전 로드의 쉬링크(Shrink) 현상을 저감, 최소화시킴으로써 압전 로드의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.

바람직하게는 상기 가압 단계에서, 몰드에 3 ~ 20 ㎫ 압력을 가할 수 있는데, 가압 단계의 압력이 3 ㎫ 미만일 경우 압력이 충분하지 못하여 홀에 채워진 압전 물질이 충분히 밀집되지 못하여 압전 로드 내부에 기공(air vent), 기포 또는 공기간극(air gap) 등이 형성될 수 있으며, 압력이 20㎫ 초과할 경우 가압에 따른 이익이 없어 경제성이 저하될 수 있다.

상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 몰드(100) 내 복수의 홀(100d)이 완전히 압전 물질(151)로 충진될 때까지 적어도 1회 이상 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 홀(100d)이 압전 물질(151)로 완벽히 충진되지 않으면 압전 로드)의 형태가 원하는 형태를 가지지 못할 뿐만 아니라, 압전 로드에 전압을 인가 시 초음파 발생 또는 수신이 불안전해질 수 있어 압전 센서의 생산 수율이 저감될 수 있으므로, 상기 제2 단계 및 제3 단계를 충분히 반복 수행하여 몰드 내 복수의 홀에 압전 물질(151)이 완전히 충진될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 몰드(100) 내 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)이 완벽하게 충진되면, 몰드(100)를 가열하여 상기 압전 물질(151)을 소결시키는 제4 단계(소결 단계)를 통해 압전 로드(155)를 형성할 수 있다.

이러한 제4 단계(소결 단계)는, 복수의 홀에 충진된 압전 물질을, 상기 압전 물질의 소결점(Sintering point) 온도 범위로 가열하여 압전 물질의 입자 사이에 결합이 일어나 응고시키기 위한 것이다.

일 예로, 압전 물질로 PZT(PbZrO3)를 사용할 경우 상기 소결 단계에서는 상기 PZT가 충진된 몰드를 850 ~ 1,000 ℃ 온도로 15 ~ 40 분간 가열하여 PZT를 소결시켜 압전 로드를 제조할 수 있다.

특히, 본 발명은 압전 로드를 형성 시, 압전 물질을 분말화 시켜 제2 단계 및 제3 단계를 통해 복수의 홀 내부에 압전 물질을 치밀하게 충진시킴으로써, 상기 제4 단계(소결 단계)에서 사용된 압전 물질의 소결점(Sintering point)보다 낮은 온도에서 압전 물질을 소결시킬 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 압전 물질로 PZT를 사용한 경우를 보면 일반적으로 PZT의 소결점은 대략 1,200 ℃로 알려져 있으나, 본 발명의 소결 단계에서는 그보다 낮은 850 ~ 1,000 ℃ 온도로 15 ~ 40 분간 가열하여 PZT를 소결시켜 압전 로드를 제조할 수 있다.

이는 몰드를 이루고 있는 실리콘계 화합물과 복수의 홀에 충진된 압전 물질 사이의 반응을 최소화시키고, 상대적으로 충진된 압전 물질의 소결점보다 낮은 온도에서 소결 가능하므로 에너지 사용량을 저감시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서는 압전 센서 내 서로 다른 층에 형성된 회로 패턴을 연결해주기 위하여 상기 압전 로드를 제조하는 단계 후에, 도 3c와 같이 상기 상기 몰드의 가장자리부(100a)에 비아 영역(131)을 에칭하는 단계 및 상기 비아 영역(131)에 전도성 물질을 충진시켜 전도성 필러(132)를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 압전 센서 내 서로 다른 층에 형성된 회로 패턴을 서로 연결해주기 위하여, 비아 홀이라는 구멍을 형성한 다음, 상기 비아 홀을 통해 와이어 본딩과 같은 연결구조를 형성할 수 있다. 하지만, 이러한 방법을 통해 형성된 비아홀은 그 형태가 매끈하지 못하며, 비아 홀을 형성하는 도중 기판 또는 몰드에 물리적 충격을 가해져 기판 또는 압전 로드 등이 손상될 수 있다. 이로 인해 압전 센서의 제품 수율 및 품질이 저하 될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하고자 압전 로드를 제조한 다음 식각단계를 수행하기 전, 압전 로드가 형성되지 않는 몰드의 가장자리부(100a)에 비아 영역을 에칭한 다음, 상기 비아 영역에 전도성 물질을 충진시켜 전도성 필러를 형성할 수 있다. 이 때 형성된 전도성 필러는 후속공정으로 제조되는 하부전극과 상부전극을 서로 연결할 수 있다.

상기 비아 영역은 도 3c와 같이 복수의 압전 로드가 형성된 패턴의 측면의 소정의 영역에 형성되는 제1 비아 영역(131)인 것이 바람직하다. 추가적으로 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 압전 로드에 고압의 전압을 인가하여 활성시키기 위한 폴링 전극을 형성시키기 위한 제2 비아 영역을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 비아 영역은 몰드의 외곽 부분에서 서로 마주보면서 형성된 제2-1 비아 영역(181a), 제2-2 비아 영역(181b)일 수 있다.

상기 비아 영역을 에칭하는 방법은 무저항성 실리콘을 식각하거나 홀을 형성하는 방법이면 한정되지 않고 사용가능하나, 앞서 언급한 몰드를 형성하는 단계에서 사용된 포토리소그래피 공정을 사용하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 제1 비아 영역(131)은 제조된 본 발명의 압전 센서 내 상부전극과 하부전극을 연결하기 위해 형성된 것이다.

일 예로, 복수의 압전 로드들이 형성된 패턴이 행렬일 경우, 상기 복수의 압전 로드들이 배열된 열 방향 또는 행 방향의 측면 부분에 소정의 영역으로 상기 제1 비아 영역(131)이 형성될 수 있다. 한편, 상기 제2 비아 영역(181a, 181b)은 압전 로드를 활성화시키기 위한 폴링용 전극이 형성될 수 있도록 몰드의 외곽 부분에 서로 마주보는 위치에 각각 형성될 수 있다.

상기 비아 영역은 전도성 물질로 충진되어, 전도성 필러(132)를 형성할 수 있다. 이 때 사용되는 전도성 물질은 통상적으로 반도체 제조 공정 상에 사용되는 전도성 물질이면 한정되지 않고 모두 사용 가능하며, 바람직하게는 금속성 물질, 실리콘계 도전물질, 탄소계 도전물질 등을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 실리콘계 도전물질을 사용할 수 있다.

일 예로 상기 전도성 필러(132)는 행렬로 형성된 복수의 압전 로드들이 배열된 열 방향의 측면 부분에 형성된 제1 비아 영역에 전도성 물질이 충진되어 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 전도성 필러(132)의 필요한 일부분을 제외하고 불필요한 나머지 부분은, 식각단계에서 포토리소그래피 공정을 통해 몰드의 기둥부(100c) 및 가장자리부(100a)와 함께 동시에 제거될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자는 상술한 제1 단계 내지 제4 단계를 통해 제조될 수 있다.

초음파 압전 센서 제조방법

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 센서를 제조하는 방법은, 상술한 초음파 압전 소자를 준비하는 단계 이후, 압전 로드(155)가 돌출되도록 몰드(100)를 식각하는 식각단계를 포함할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 몰드 내 압전 로드(155) 및 전도성 필러(132)를 형성시킨 다음, 도 3d와 같이 식각단계(평탄화 공정, Plananarization process)을 통해 몰드의 기둥부의 일 측면이 완전히 노출되도록 평탄화시킬 수 있다.

상기 평탄화 공정은 통상적으로 반도체 공정 중 표면을 에칭하여 평탄화시킬 수 있는 방법이면 한정되지 않고 사용가능하나, 바람직하게는 CMP(chemical mechanical planarization)방법을 사용할 수 있다.

예를 들어, 상기 전도성 필러(132)를 형성하는 단계에서, 행렬로 형성된 복수의 압전 로드들이 배열된 열 방향의 측면 부분에 형성된 제1 비아 영역에 전도성 물질을 충진시켜 전도성 필러(132)를 형성한 다음, 도 4와 같이 평탄화 공정을 통해 몰드의 기둥부의 일 측면이 완전히 노출되도록 평탄화시킬 수 있다.

상기 식각 단계에서는 평탄화된 몰드의 표면 상에 패터닝을 통해 식각하고자 하는 부분(기둥부 및 가장자리부가 형성된 부분, 불필요한 전도성 필러의 부분)과 식각되지 말아야 하는 부분(압전 로드가 형성된 부분, 필요한 전도성 필러의 일부분)을 앞서 언급한 바와 같이 포토레지시트를 형성시킨 다음, 노광/현상 공정, 베이킹 공정, 식각공정, 스트립공정 등을 통해 상기 식각하고자 하는 부분을 제거 할 수 있다.

일 예로, 도 4와 같이 평탄화 공정을 통해 평탄화된 몰드를 식각단계를 통해 몰드의 기둥부(100c)와 몰드의 가장자리부(100a) 와 상기 기둥부가 형성된 열 라인 또는 행 라인 선상에 형성된 전도성 필러의 부분 중 선택된 일부를 식각함으로써, 몰드의 베이스(100b) 상에 직사각 형태의 전도성 필러(132b)가 돌출될 수 있도록 형성할 수 있다.

다른 한편으로는, 상기 몰드 내 기둥부(100c)가 형성된 열 라인 또는 행 라인 선상에 형성된 전도성 필러의 부분을 전부 식각하여 제거함으로써, 도 5과 같이 압전 로드와 같이 사각 기둥 형태의 전도성 필러(132a)로 형성시킬 수 있다.

이는 식각 공정 중 바람직한 패터닝을 통해 압전 로드(155)와 필요한 전도성 필러(132a, 132b)의 부분만 남기고 나머지 부분을 제거함으로써, 몰드의 베이스 상(100b)에 압전 로드(155)와 식각되지 않고 남은 전도성 필러(132a, 132b)가 돌출되어 형성될 수 있다.

상기 식각되지 않고 남은 전도성 필러(132a 132b)는, 후속 공정으로 형성된 하부 전극과 상부전극을 연결함으로써, 추가적으로 압전 소자 내 와이어 본딩과 같은 연결구조를 형성하지 않아도 된다. 또한, 이러한 연결 구조를 위한 홀을 형성하기 위한 추가공정이 필요치 않아, 제조 공정 상의 충격을 최소화시켜 물리적 손상을 방지할 수 있어 압전 센서의 생산 수율을 현저히 향상시킬 수 있다.

도 3d의 세 번째 단계와 같이 상기 식각단계를 통해 식각된 기둥부(100c), 가장자리부(100d) 및/또는 전도성 필러의 일부분에 절연재(120)를 충진하여 도 3d의 네 번째 및 도 6, 7과 같이 상기 절연재(120) 사이에 압전 로드(155) 및 전도성 필러(132a, 132b)가 형성된 몰드를 제조할 수 있다.

상기 절연재(120)는 압전 센서가 센서로서 작동 시 압전 로드에 교류 전류가 인가되어 상하로 진동하게 되면, 발생되는 초음파가 인접위치에 형성된 압전 로드들끼리 서로 영향을 미치지 않도록 압전 로드와 압전 로드 사이를 절연시키고, 높은 초음파 신호를 감쇠시킴으로써, 센서의 신호 잡음 및 감응도를 최적화시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 절연재는 통상적으로 전류를 절연시키기 위한 물질이면 한정되지 않고 사용가능하나, 바람직하게는 에폭시 수지를 사용할 수 있다.

바람직하게는 도 6 내지 도 8과 같이 상기 몰드 내 절연재(120)를 충진한 다음, 가려진 압전 로드 및 전도성 필러의 일 측면이 완전히 노출될 때까지 평탄화 공정을 통해 에칭하여 평탄화시킬 수 있다

구체적으로, 도 6 또는 도 7의 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 제1 비아 영역에 형성된 전도성 필러가 식각단계를 거쳐, 각각 사각기둥형태의 전도성 필러(132a), 직사각형태의 전도성 필러(132b)가 형성된 후, 식각된 부분에 절연재가 충진되어 형성된 예를 나타낸 것이다.

추가적으로, 도 8의 경우에는 폴링용 전극이 형성될 수 있도록 몰드의 외곽 부분에 서로 마주보는 위치에 제2 비아 영역(181a, 181b)을 형성하고, 상기 제2 비아 영역에 전도성 필러를 충진시켜 형성된 형태에 절연재(120)를 충진시킨 예를 나타낸 것이다.

상기 도 6 내지 도 8은 본 발명의 몰드 내 형성된 압전 로드 및 전도성 필러의 다양한 예시 중 일부를 나타낸 것으로, 제조하고자 하는 압전 센서의 다양한 실시 형태 및 사용 양태에 따라 바람직한 패터닝을 통해 적절히 조절할 수 있는 다양한 실시 예가 있을 수 있다.

도 3e와 같이 평탄화되어 압전 로드(155)의 일 측면에 노출된 표면에 소정의 패턴으로 하부 전극(171)을 형성할 수 있다.

구체적으로 상기 하부전극(171)을 형성하는 단계는, 도 3d와 같이 노출된 압전 로드의 일 측면에 전도성 물질을 증착하는 단계 및 소정의 패턴으로 전도성 물질을 식각하여 하부전극(171)을 형성하는 단계를 포함하여 하부전극을 형성할 수 있다. 이 때, 사용되는 전도성 물질로 전도성 특성을 가진 것이면 한정되지 않고 모두 사용가능하며, 일 예로 구리, 알루미늄, 금, 은, 니켈, 주석, 아연 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함한 화합물을 사용할 수 있다.

예를 들어 상기 하부전극(171)을 형성하는 단계는, 도 3d와 같이 먼저 1) 평탄화를 통해 압전 로드의 일 측면이 노출된 몰드 상에 전도성 물질을 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 균일하게 증착하여 금속층을 형성한다. 형성된 금속층에 포토레지스트를 도포한 후, 소정의 마스크 패턴에 따라 노광하여 포토레지스트의 일부 영역을 제거한 다음, 상기 포토레지스트 제거된 일부 영역의 금속층을 식각한다. 2) 식각 후, 남아 있는 포토레지스트를 모두 제거하면, 식각되지 않고 남아있는 금속층이 하부 전극(171)이 된다. 이렇게 3) 하부전극(171)이 형성된 몰드(100)의 표면에 더미 기판(110)을 접착하는 단계를 통해 더미 기판(110)을 몰드에 본딩한 후, 상부 전극(172)을 형성할 수 있도록 상기 몰드를 뒤집는 것이 바람직하다.

상기 더미 기판이 접착된 몰드의 베이스 부분(100b)을 제거하여 노출된 압전 로드의 타 측면에 소정의 패턴으로 상부전극(172)을 형성하여 압전센서 어레이를 제조하는 단계는, 도 3e와 같이 1) 뒤집어진 몰드의 베이스 부분을 압전 로드(155)의 타 측면이 노출되도록 제거하여 평탄화시킨 다음, 2) 전도성 물질을 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 균일하게 증착하여 금속층을 형성한다. 앞서, 3) 하부 전극을 형성한 방법과 동일하게 포토리소그래피 방법을 사용하여, 금속층의 일부분을 식각하여 상부 전극(172)을 형성시켜 도 7과 같은 압전센서 어레이를 제조할 수 있다. 이때, 상기 상부 전극(172)은 하부 전극(171)과 수직으로 교차하는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이 압전센서 어레이를 제조하는 단계를 통해 제조된 압전센서 어레이는 복수의 압전 소자(155)가 행렬 형태로 배열될 수 있다. 이때, 압전센서 어레이 내 포함된 복수의 압전 소자가 센서의 기능을 갖기 위해서는 폴링 공정을 통해 압전 물질에 고압의 전압을 가하여 압전 소자 내 압전 로드를 활성화 시켜야 한다.

상기 압전 로드를 활성화시키기 위해서는 각각의 압전소자에 고압의 전압을 인가하여 활성화시켰으나, 동일한 조건(전압, 시간 등)으로 각각의 개별적으로 압전 로드를 분극 처리하더라도 각각의 압전 로드가 미세하게 차이가 발생될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 차이를 줄이기 위하여 상기 압전센서 어레이를 제조하는 단계 후에, 동일한 열에 배치된 복수의 압전 소자에 반도체 테스트용 프로브를 사용하여 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계;를 더 포함하여 압전 소자를 활성화시킬 수 있다.

이 때, 상기 반도체 테스트용 프로브를 사용하여 동일한 열에 배치된 압전 소자 내 각각의 전도성 필러, 제1 폴링 전극과 제2 폴링 전극 또는 동일한 열에 배치된 압전 로드 중 선택하여 동시에 전압을 가할 수 있다.

한편, 다른 방법으로는 상기 제2 비아 영역(181a, 181b)을 통해 형성된 전도성 필러와 제2 폴링 전극(191)에 전압을 인가하면, 상기 제2 비아 영역에 형성된 전도성 필러는 하부 전극과 연결되어 있고, 제2 폴링 전극은 상부전극과 연결되어 있어, 압전 로드의 모두에 전압을 인가시켜 압전 소자를 활성화시킬 수 있다.

또 다른 방법으로는, 상기 제2 비아 영역(181a, 181b)과 대응되는 곳에 하부 전극과 연결된 하부 폴링 전극을 형성하고, 이를 외부로 노출시켜 제2 폴링 전극(191a, 191b)과 대응되는 상부 폴링 전극과 와이어를 통해 연결하여 전압을 인가시켜 압전 소자를 활성화시킬 수 있다.

상기 폴링단계를 통해 압전 소자가 활성화되면, 복수의 압전 소자가 형성된 웨이퍼를 다이싱(dicing) 단계를 통해 각각의 압전 소자 단위로 잘라 압전 센서(200)를 제조할 수 있다.

상기 다이싱 단계를 통해 압전 소자를 분리되어도, 상기 압전 소자에는 불필요한 더미 기판(110)이 접착제로 부착되어 있다. 따라서, 상기 접착제가 용융될 수 있는 온도의 열을 가하여 더미 기판(110)과 압전 소자를 분리하여 압전 센서(200)를 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시 형태는 앞서 언급한 제조방법으로 제조된 압전 센서이며, 이러한 압전 센서(200)를 사용하여 초음파 센서를 제조할 수 있다.

상기 압전 센서(200)를 기판(210) 상에 형성시킴으로써, 초음파 센서를 제조할 수 있다.

상기 기판(210)은 복수의 압전 센서들이 배열되어 형성된 판으로서, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 상기 기판은 통상적으로 회로 기판에 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않고 모두 사용가능하며, 바람직하게는 PCB(인쇄회로기판)을 사용할 수 있다.

바람직하게는 상기 기판(210)은, 도 8과 같이 복수의 압전 센서(200)들이 형성된 부분의 하부에 캐비티(Cavity)(215)가 형성될 수 있다. 이는 상기 초음파 센서는 압전 센서(200)에 전류를 인가하여 압전 로드가 상하 진동을 통해 초음파가 발생되는 것으로서, 상기 압전 센서의 하부에 캐비티가 형성됨으로써 발생되는 초음파의 진폭을 향상시켜 대상체에 반사되어 되돌아오는 반사파의 신호 강도를 증폭시킴으로써, 정확하고 신뢰도 높은 정보를 획득할 수 있다.

상기 기판 상에 형성된 복수의 압전 센서들의 배치구조는 설계자가 기판 상에 어떤 패턴, 형태로 전극을 패터닝 하였는지에 따라 압전 센서들의 배열 구조는 다양할 수 있으며, 상기 압전 센서의 배열 구조에 따라 동일한 배열구조로 각각의 압전 센서의 하부에 캐비티가 형성될 수 있다.

상기 캐비티의 형태는 수평단면이 다각형, 원형 또는 타원형태 등 다양한 수평 단면을 가진 기둥, 뿔 등과 같은 홈일 수 있다.

또한, 상기 캐비티 상부에 형성된 압전 센서가 기판 상에 형성될 수 있도록, 상기 압전 센서의 수평단면의 내부선분 중 적어도 하나 이상은 동일 선상에 형성된 캐비티의 수평단면의 내부선분보다 길게 형성될 수 있다. 이때 내부선분은 단면의 무게중심(G)를 통과하는 단면의 테두리 위의 점과 점을 이은 선분을 의미한다.

바람직하게는 상기 캐비티의 수평단면 형태가 십자가 형태로 형성되되, 십자가가 교차되는 영역의 넓이가 상부에 형성된 압전 센서의 수평단면의 넓이 보다 작게 형성된 것을 사용할 수 있다. 이는 상이 압전 센서의 모퉁이 부분이 기판과 접착되어 있어 안정감을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 압전 센서의 진동을 증가시켜 발생된 초음파의 신호 세기를 증폭시킬 수 있다.

초음파 압전 소자 제조를 위한 지그

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그(이하, 지그)는, 상술한 초음파 압전 소자 제조를 위해 이용될 수 있다.

지그(300)는, 몰드의 타측면(102, 도 3a 참조)의 크기와 같거나 크게 형성된 채, 상기 몰드의 타측면과 대향하는 제1 면(310), 상기 제1 면(310)과 일정 거리 이격되어 배치되며, 흡입부(미도시)와 연결되는 제2 면(320), 상기 제1 면(310)과 상기 제2 면(320)을 연결하는 두께형성부(330) 및 상기 제1 면(310)과 상기 제2 면(320)을 관통하여 형성되고, 상기 흡입부로부터 제공된 흡입력이 상기 제1 면(310)과 상기 몰드의 타측면(102) 사이에 제공되도록 하는 압력조절부(340)를 포함할 수 있다.

압력조절부(340)는, 상기 제1 면(310)으로부터 함입된 제1 연결공(342)과 상기 제2 면(320)으로부터 함입된 제2 연결공(341)이 연통되어 형성될 수 있다.

제1 연결공(342)은 몰드에 형성된 복수의 홀과 나란하게 배치되어, 복수의 홀 내에 체류하는 공기가 제2 연결공(341)으로 이동되도록 할 수 있다.

압력조절부(340)는, 흡입부와 연결된 채, 흡입부를 통해 제공된 압력 구배에 따라 제1 면(310)과 상기 몰드의 타측면(102) 사이의 공기가 흡입부로 이동되도록 하는 통로를 제공할 수 있다.

상기 제1 연결공(342)은, 제2 연결공(341)으로부터 분기되어 형성될 수 있다.

또한, 도 11을 참조하면, 상기 압력조절부(340)는, 상기 제1 면(310)으로부터 함입되어 상기 제1 연결공(342)과 연통되는 연결홈(350)을 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 연결홈(350)은, 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치를 포함하도록 형성될 수 있다.

또한, 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지그(400)는 제1 면(410), 제2 면(420), 두께형성부(430) 및 압력조절부(440)를 포함할 수 있으며, 제1 연결공(442)은, 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 제1 연결공(442)은 제2 연결공(441)이 분기되어 형성될 수 있다.

지그(400)의 압력조절부(440) 또한 상술한 바와 같이 흡입부로부터 제공된 흡입력이 제1 면(410)과 상기 몰드의 타측면(102) 사이에 제공되도록 할 수 있다.

도 12에서는, 제1 연결공(442)이, 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치와 대응되는 위치에 형성되되, 각각의 연결공이 이격되어 배치된 것으로 도시되었으나, 제1 면(410)으로부터 연속적으로 형성된 채, 상기 복수의 홀과 연통될 수 있음은 물론이다.

한편, 제2 연결공의 종단면적은, 제1 연결공의 종단면적의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 이는, 제2 연결공이 분기되어 형성된 제1 연결공으로부터의 제2 연결공으로의 공기 유입이 용이하도록 하여, 압력조절부에 의해 제1 면과 몰드의 타측면 사이의 공기 유출이 원활하도록 하기 위함이다.

도 11 및 도 12를 참조로 설명한 지그는, 본 발명의 초음파 압전 소자 제조를 위해 이용되는 지그의 실시예로서 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 몰드의 타측면에 연결되어, 몰드에 형성된 복수의 홀 내의 공기를 유출시킬 수 있는 지그 구성이면 본 발명의 압전 소자 제조를 위해 이용될 수 있다.

이에 따라, 지그의 제1 연결공 및 제2 연결공의 형성 위치 및 형상은 다양하게 형성될 수 있다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

10: 가압 반응기 100: 몰드
100a: 몰드의 가장자리부 100 b: 몰드의 베이스
100c: 몰드의 기둥부 100d: 복수의 홀
110: 더미 기판 120: 절연재
131: 비아 영역 132: 전도성 필러
151: 압전 물질 152: 접착 용액
155: 압전 로드
171: 하부 전극 172: 상부 전극
200: 압전 센서 210: 기판
215: 캐비티

Claims (18)

1. 초음파 압전 소자를 제조하는 방법에 있어서,
   기판을 가공하여, 일측면(101)으로부터 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100d)이 형성된 몰드(100)를 획득하는 제1 단계;
   상기 복수의 홀(100d)을 구성하는 각각의 홀에 압전 물질(151)이 유입되도록, 상기 몰드(100)의 일측면(101)을 향해 상기 압전 물질(151)을 공급하는 제2 단계;
   상기 몰드(100)의 타측면(102)이 배치되는 제1 공간(V1)의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간(100d)의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하는 제3 단계; 및
   상기 복수의 홀(100d)에 충진된 상기 압전 물질(151)을 소결시키는 제4 단계;를 포함하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   상기 기판을 가공하여, 상기 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈(100f)을 형성하는 단계; 및
   상기 복수의 홈(100f)을 구성하는 각각의 홈의 바닥면과 상기 몰드(100)의 타측면(102)을 관통하는 홀을 형성하는 단계;를 포함하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   상기 기판을 가공하여, 상기 일측면(101)으로부터 상기 타측면(102)을 향하여 관통된 복수의 홀(100e)을 형성하는 단계; 및
   상기 복수의 홀(100e)을 구성하는 각각의 홀이 포함되도록 상기 일측면(101)으로부터 함입된 복수의 홈을 형성하는 단계;를 포함하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 동시에 구현되는 것을 특징으로 하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계는,
   상기 몰드(100)의 일측면(101)과 대응되는 형상으로 형성된 가압부에 의해 상기 몰드(100)의 일측면(101)이 가압되는 단계;를 더 포함하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계는,
   상기 몰드(100)를 밀폐된 가압 반응기(10) 내에서 가압하여 상기 복수의 홀(100d)에 유입된 상기 압전 물질(151)이 밀집되도록 하는 단계;를 더 포함하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계 및 상기 제3 단계를 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 초음파 압전 소자 제조방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 초음파 압전 소자.
   
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 제조된 초음파 압전 소자를 준비하는 단계;
   압전 로드(155)가 돌출되도록 몰드(100)를 식각하는 식각단계;
   상기 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재(120)를 충진하는 단계;
   상기 절연재(120)를 충진하는 단계를 통해 가려진 압전 로드(155)의 일 측면이 노출될 때까지 에칭한 다음, 노출된 압전 로드의 일 측면에 소정의 패턴으로 하부전극(171)을 형성하는 단계;
   상기 하부전극(171)이 형성된 표면에 더미 기판(110)을 접착하는 단계; 및
   상기 더미 기판(110)이 접착된 몰드의 베이스 부분(100b)을 제거하여 노출된 압전 로드(155)의 타 측면에 소정의 패턴으로 상부전극(172)을 형성하여 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계;를 포함하는 초음파 압전 센서의 제조방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 압전 로드(155)들을 형성하는 단계와 식각단계 사이에,
    상기 몰드의 가장 자리부(100a)에 비아 영역(131)을 에칭하는 단계; 및
    상기 비아 영역(131)에 전도성 물질을 충진시켜 전도성 필러(132)를 제조하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 압전 센서의 제조방법.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계 후에,
    상기 초음파 압전 센서 어레이 상의 동일한 열에 배치된 복수의 압전 소자에 반도체 테스트용 프로브를 사용하여 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계;를 더 포함하는 초음파 압전 센서의 제조방법.
    
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 제조된 초음파 압전 센서.
    
13. 기판을 가공하여 획득된 몰드 - 일측면으로부터 타측면을 향하여 관통된 복수의 홀이 형성됨 - 의 상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀에, 상기 일측면으로부터 공급된 압전 물질이 충진되도록, 상기 몰드의 타측면이 배치되는 제1 공간의 압력이, 상기 각각의 홀을 형성하는 제2 공간의 압력보다 작아지도록 압력 구배를 형성하도록 하기 위한 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그에 있어서,
    상기 몰드의 타측면의 크기와 같거나 크게 형성된 채, 상기 몰드의 타측면과 대향하는 제1 면;
    상기 제1 면과 일정 거리 이격되어 배치되며, 흡입부와 연결되는 제2 면; 및
    상기 제1 면과 상기 제2 면을 관통하여 형성되고, 상기 흡입부로부터 제공된 흡입력이 상기 제1 면과 상기 몰드의 타측면 사이에 제공되도록 하는 압력조절부;를 포함하는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 압력조절부는,
    상기 제1 면으로부터 함입된 제1 연결공과 상기 제2 면으로부터 함입된 제2 연결공이 연통되어 형성되며,
    상기 제1 연결공은,
    상기 제2 연결공으로부터 분기되어 형성되는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 연결공은,
    상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치와 대응되는 위치에 형성되는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 연결공은,
    상기 제1 면으로부터 연속적으로 형성된 채, 상기 복수의 홀과 연통되는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 압력조절부는,
    상기 제1 면으로부터 함입되어 상기 제1 연결공과 연통되는 연결홈을 더 구비하며,
    상기 연결홈은,
    상기 복수의 홀을 구성하는 각각의 홀의 형성 위치를 포함하도록 형성되는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.
    
18. 제14항에 있어서,
    상기 제2 연결공의 종단면적은,
    상기 제1 연결공의 종단면적의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 초음파 압전 소자 제조를 위한 지그.

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