KR20200036672A - 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법 - Google Patents

초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법 Download PDF

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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

본 발명에 따르면, 기판이 제공되는 단계; 상기 기판의 상면이 식각되는 단계; 식각된 상기 기판의 상면에 pMUT 요소가 형성되는 단계; 상기 pMUT 요소 상에 절연 물질이 증착되는 단계; 및 상기 기판의 후면이 식각되는 단계;를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법를 제공한다.

Description

초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF ULTRASOUND TRANSDUCER APPARATUS}
본 발명의 실시예들은 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 자극 대상(예를 들어, 생체 물질)에 대하여 초음파 자극을 제공 또는 수신할 수 있는 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인간 및 도물의 기계 반응 조직에 포함된 세포의 경우 인장력, 전단력, 압축력 등과 같은 다양한 기계쩍 자극에 노출되어 있으며, 따라서 관절 연골 조직의 경우 반복적인 기계적 자극은 관절염과 같은 질병의 원인이 될 수 있다. 이에, 최근 들어 기계적 자극이 유발하는 세포 반응에 대한 연구가 주목받고 있다.
아울러, 줄기세포로부터 인간 및 동물에 대한 대체 조직(replacement tissue), 특히 기계-반응 조직의 경우, 완전한 기능을 가지는 조직으로 줄기세포를 분화시키기 위해서는 줄기세포를 배양하는 동안 배양 중인 세포에 기계적 자극을 인가하는 것이 필요하다. 이 경우 세포에 인가되는 자극의 정도는 세포의 유형 및 분화시키고자 하는 조직의 종류에 따라 다양할 수 있다.
세포 반응의 연구 및 줄기세포 분화를 위해 세포를 자극하는 연구가 수행되어 왔다. 예를 들면, 한국 특허출원번호 제10-2011-0059156호에는 성체 줄기세포를 위한 초음파 자극형 관류식 배양시스템에 대해 개시되어 있고, 한국 특허출원번호제10-2007-0072023호에는 저강도 초음파를 이용하여 조직 및 세포에서 중간엽 줄기세포를 효율적으로 분리 증식하는 방법에 대해 개시되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
본 발명은 초음파 자극부(pMUT 요소)가 자극 대상에 대하여 초음파 자극을 제공 또는 수신할 수 있는 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 기판이 제공되는 단계; 상기 기판의 상면이 식각되는 단계; 식각된 상기 기판의 상면에 pMUT 요소가 형성되는 단계; 상기 pMUT 요소 상에 절연 물질이 증착되는 단계; 및 상기 기판의 후면이 식각되는 단계;를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서 상기 기판은 HNA 용액에 의해 식각될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 HNA 용액은, 불산(HF), 질산(HNO3) 및 초산(CH3COOH)의 비율이 1:9:1로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서, 상기 기판의 상면은 교반 장치에 의해 회전되어 돔 형태로 식각되며, 상기 교반 장치에서 미리 설정되는 rpm(revolutions per minute)에 따라 상기 기판의 상면의 곡률 반경이 다르게 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서, 상기 rpm은 750rpm으로 설정될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기판의 후면이 식각되는 단계에서 상기 pMUT 요소가 박막 형태로 될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 pMUT 요소는 복수 개로 마련되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소는 어레이 형태로 마련될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 pMUT 요소는 돔 형태로 마련되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소에 상기 절연 물질이 단속적으로 증착될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 자극부(pMUT 요소) 자극 대상에 대하여 초음파 자극을 제공 또는 수신할 수 있다.
또한, 초음파 자극부(pMUT 요소)가 돔 형태로 마련되어, pMUT 요소에서 발생된 초음파 자극의 집속 효율 및 강도가 향상될 수 있다.
또한, 초음파 자극부(pMUT 요소)가 어레이 형태로 마련되는 경우, 적어도 하나의 자극 대상에 대하여 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있다.
또한, 절연 물질의 변경을 통해서 초음파의 감쇠 또는 초음파 조사 효율을 조절할 수 있고, 초음파의 감쇠를 최소화하면서 자극 대상에 대하여 정확하게 초음파를 조사할 수 있다.
또한, MEMS 공정을 이용하여 pMUT 요소의 크기(축소 또는 확장) 및 디자인을 다양하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 상면이 식각되는 과정을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 공정을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질이 증착된 상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서 층, 막, 영역, 판 등의 각종 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법을 나타내는 순서도이다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 상면이 식각되는 과정을 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 공정을 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질이 증착된 상태를 도시한 도면이다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소가 어레이 형태로 마련된 모습을 도시한 도면이다.
도 2e 내지 도 12를 참조하면, 초음파 트랜스듀서 장치(1)는 pMUT 요소(100), 절연 물질(200)을 포함할 수 있다. 상기 pMUT 요소(100)는 인가된 전압에 의해서 초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 트랜스듀서(transducer)의 일종으로서, MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100)는 기판(110), 산화실리콘(120), 하부 전극(130), 압전 물질(140) 및 상부 전극(150)을 포함할 수 있다.
pMUT 요소(100)에 전압이 인가되는 경우, 평면파 형태의 초음파가 pMUT 요소(100)의 상부에 배치된 자극 대상(A)을 향하여 전달될 수 있다.
자극 대상(A)이 생체 물질(bio-sample; A), 구체적으로 신경세포와 뇌 절편 등을 포함한 생체 조직 및 세포에 대하여 초음파 자극, 물리적 자극 또는 기계적 자극을 제공할 수 있다.
그러나 자극 대상(A)이 생체 물질로 한정되는 것은 아니며, 다양한 분야에 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100)에서 초음파가 발생되는 경우, pMUT 요소(100)에서 발생된 초음파에 의한 초음파 자극이 자극 대상(A)에 제공될 수 있으며, 외부에서 반사되는 초음파 자극을 수신, 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100)에서 전기적 자극이 발생되는 경우에는 초음파 트랜스듀서 장치(1)와 연결되는 검출부에 의해 전기적 자극이 검출될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100)는 돔(dome) 형태로 마련될 수 있으며, 이로 인하여 pMUT 요소(100)에서 발생되는 초음파 자극의 집속 효율 및 강도가 향상되는 효과가 있다.
도 3 내지 도 10을 참고하면, 산화실리콘(120), 하부 전극(130), 압전 물질(140) 및 상부 전극(150)이 기판(110)을 향하여 볼록하게 형성되어, 자극 대상(A)이 배치되는 pMUT 요소(100)의 상면이 오목하게 형성될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, pMUT 요소(100) 및 절연 물질(200)의 상부(도 10 기준)에 전극 요소(도면 미도시)가 마련될 수 있으며, 전극 요소의 오목한 표면 상에 자극 대상(A)이 배치될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 전극 요소는 금, 백금 등을 포함한 금속 박막으로 제작될 수 있고, pMUT 요소(100)와 동일하게 돔 형태로 마련될 수 있다. 전극 요소가 마련되는 경우, 전극 요소의 상부에는 자극 대상(A)이 배치될 수 있고, 전극 요소에 인가되는 전압에 의해서 생체 물질에 전기 자극을 제공할 수 있다.
도 11, 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질(200)은 pMUT 요소(100)의 상측(도 11)에 배치될 수 있다.
절연 물질(200)은 parylene 구조체 등을 포함할 수 있고, 1㎜의 두께를 구비할 수 있다. 그러나, 절연 물질(200)의 재질 또는 두께는 이에 국한되지 아니하며, 초음파의 감쇠 정도 또는 사용 목적에 따라서 다양하게 구성될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질(200)은 pMUT 요소(100)와 상하 방향으로 정렬될 수 있으며, 일체형으로 마련될 수 있다. 이로 인하여 pMUT 요소(100)로부터 발생된 초음파의 감쇠를 최소화하여 초음파의 조사 효율을 높여 자극 대상(A)에 대하여 정확하게 전달할 수 있는 효과가 있다.
도면에 구체적으로 도시되지는 않았으나, pMUT 요소(100)에는 적어도 하나의 전압 인가 장치(미도시)가 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질(200)은 돔 형태의 pMUT 요소(100)의 상면에 대응되도록 돔 형태로 마련될 수 있다.
절연 물질(200)의 형태는 pMUT 요소(100)를 전기적으로 절연시키면서, pMUT 요소(100)에서 발생된 초음파를 pMUT 요소(100) 상측(도 10 기준)에 배치되는 자극 대상(A)에 전달할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
절연 물질(200)로 인하여 소수성 및 생화학적 내성을 갖게 되어 다양한 분야의 자극 대상(A)에 적용이 가능한 효과가 있다.
전술된 바와 같이 pMUT 요소(100)가 돔 형태로 마련된 경우, pMUT 요소(100)에서 발생된 초음파가 자극 대상(A)을 향하여 집속되고, 자극 대상(A)에 대한 초음파의 집속 효율 및 강도가 향상될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100)는 복수 개로 마련될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 절연 물질(200) 상에 전극 요소가 배치되는 경우 전극 요소 pMUT 요소(100)에 대응되도록 복수 개가 마련되는 등 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다.
다시 말하여 pMUT 요소(100)는 어레이(array) 형태로 마련될 수 있고, 전극 요소 또한 어레이 형태로 마련될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 어레이 형태의 전극 요소는 다채널 전극 다채널 전극(multi-electrode array(MEA))으로 마련될 수 있다.
이때, 복수 개의 pMUT 요소(100)는 서로 이격 배치될 수 있으며, 복수 개의 pMUT 상에 절연 물질(200)이 단속적으로 증착, 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 pMUT 요소(100)가 돔 형태로 마련되어, 복수 개의 pMUT 요소(100)에서 각각 발생된 초음파가 집속 형태로 자극 대상(A)에 전달될 수 있다.
이 때, 복수 개의 pMUT 요소(100)가 절연 물질(200)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 pMUT 요소(100)가 개별적으로 구동될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 복수 개의 전극 요소가 절연 물질(200) 상에 설치되는 경우, 전극 요소 또한 절연 물질(200)에 의해서 절연되므로, 복수 개의 전극 요소가 개별적으로 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 pMUT의 상측에는 서로 동일한 자극 대상(A) 또는 다른 자극 대상(A)이 배치될 수 있다.
이로 인하여 복수 개의 pMUT 요소(100)에서 초음파 신호 또는 전기적 신호가 발생되어 자극 대상(A)에 전달될 수 있으며, 각각 초음파 신호를 독립적으로 수신할 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여 복수 개의 pMUT 요소(100)에서 발생되는 전기적 신호는 외부의 다른 검출부(도면 미도시)에 의해 개별적으로 검출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치(1)로 인하여 서로 동일한 자극 대상(A) 또는 서로 다른 자극 대상(A)에 대하여 초음파 자극을 이용하여 더욱 다양한 실험을 빠르게 수행할 수 있고, 초음파의 집속 효율 또는 강도를 향상시키면서 pMUT의 상측에 자극 대상(A)이 배치되는 경우 복수 개의 자극 대상(A)을 용이하게 정렬시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법을 나태내는 순서도이다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 상면이 식각되는 과정을 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 공정을 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 물질이 증착된 상태를 도시한 도면이다.
도 1 또는 11을 참조하여, 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치(1)는 다음과 같이 제조될 수 있다.
우선, 기판(110)이 제공된다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, pMUT 요소(100)를 돔 형태로 마련하기 위하여, 기판(110)의 상면을 식각한다.
도 2a를 참조하면, 기판(110)에 실리콘나이트라이트(SiN)을 저압화학기상증착(LPVCD)시킨다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, SiN을 플라즈마 식각 장치 등의 식각 장치로 식각한다. 이때 SiN 상에 개구부가 형성되고, 개구부를 통하여 불산(HF), 질산(HNO3) 및 초산(CH3COOH)의 혼합물인 HNA 용액으로 식각하는 기판의 상면이 식각되는 단계(S20)가 수행된다.
기판의 상면이 식각되는 단계(S20)에서는 기판(110)의 상면이 교반 장치에 의해 회전되어 돔 형태로 식각되며, 식각 용액이 기판(110)의 상면을 식각 후 배출되지 않고 고여있는 상태를 방지하기 위하여, 도 2d를 기준으로 기판(110)이 90도 회전된 상태에서 수직 배치되어, vertical etching될 수 있다.
기판의 상면이 식각되는 단계(S20)에서 교반 장치에 의해 회전되며, magnetic stirring될 수 있고, 미리 설정된 rpm 구체적으로 750rpm으로 회전될 수 있다.
이로 인하여 돔 형태로 형성되는 기판(110)의 상면이 수직으로 세워지는 경우 상하측의 식각 불균형이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
기판의 상면이 식각되는 단계(S20)에서 불산(HF), 질산(HNO3) 및 초산(CH3COOH)의 비율이 1:9:1로 형성될 수 있다.
기판의 상면이 식각되는 단계(S20)가 완료되면, 도 2e와 같이 실리콘나이트라이트가 제거된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(110)의 상면에 산화실리콘(120)을 형성하며, 예를 들어 실리콘 SOI(Silicon on insulator) 웨이퍼를 형성한다.
그런 다음에, 기판(110)의 상면에 pMUT 요소(100)가 형성된다(S30).
도 4 내지 도 6을 참조하면, 산화실리콘(120)의 상면에 하부 전극(130)을 증착하고, 하부 전극(130)의 상면에 압전 물질(140)을 증착하며, 압전 물질(140)의 상면에 상부 전극(150)을 증착한다.
도 11을 참조하면, pMUT 요소(100) 상에 절연 물질(200)이 증착될 수 있다(S40).
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 pMUT 요소(100), 구체적으로 기판(110), 산화실리콘(120), 하부 전극(130), 압전 물질(140) 및 상부 전극(150)을 모두 덮도록 절연 물질(200)이 증착된다.
마지막으로, 기판(110)의 후면이 식각된다(S50).
본 명세서에서는 도 7 내지 도 9를 참조하면, pMUT 요소(100) 상측에 PR(photoresist)를 씌우고, 기판(110)의 하면에 Al 등의 마스크(M)(mask)를 증착, 식각 후 마스크(M)의 식각된 부분에 대응되는 기판(110)의 후면을 식각하나, 도 6에서 상부 전극(150)을 증착 시키고, 절연 물질(200)을 증착한 후 도 7 내지 도 9의 과정을 거칠 수 있음은 물론이다.
도 9에서 기판(110)의 상측의 PR, 하측의 마스크(M)를 제거하여 도 10, 도 11의 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치(1)를 얻을 수 있다.
이에 의해서, pMUT 요소(100)가 박막 형태로 될 수 있다.
특히, pMUT 요소(100)는 복수 개가 마련될 수 있으며, 어레이를 형성할 수 있다.
도 12를 참조하면, 복수 개의 pMUT 요소(100)가 돔 형태로 마련된 경우, 복수 개의 pMUT 요소(100)의 상측에 절연 물질(200)이 단속적으로 증착될 수 있다.
이와 같이 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 장치(1)의 제조 방법에 의해서, MEMS 공정을 이용하여 pMUT 요소(100) 및 전극 요소의 크기(축소 또는 확장) 및 디자인을 다양하게 제조할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 초음파 트랜스듀서 장치 A: 자극 대상
M: 마스크 100: pMUT 요소
110: 기판 120: 산화실리콘
130: 하부 전극 140: 압전 물질
150: 상부 전극 200: 절연물질

Claims (8)

  1. 기판이 제공되는 단계;
    상기 기판의 상면이 식각되는 단계;
    식각된 상기 기판의 상면에 pMUT 요소가 형성되는 단계;
    상기 pMUT 요소 상에 절연 물질이 증착되는 단계; 및
    상기 기판의 후면이 식각되는 단계;를 포함하는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서 상기 기판은 HNA 용액에 의해 식각되는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 HNA 용액은, 불산(HF), 질산(HNO3) 및 초산(CH3COOH)의 비율이 1:9:1로 형성되는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서, 상기 기판의 상면은 교반 장치에 의해 회전되어 돔 형태로 식각되며, 상기 교반 장치에서 미리 설정되는 rpm(revolutions per minute)에 따라 상기 기판의 상면의 곡률 반경이 다르게 형성되는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 상면이 식각되는 단계에서, 상기 rpm은 750rpm으로 설정되는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 후면이 식각되는 단계에서 상기 pMUT 요소가 박막 형태로 되는 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 pMUT 요소는 복수 개로 마련되고,
    상기 복수 개의 pMUT 요소는 어레이 형태로 마련되는, 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수 개의 pMUT 요소는 돔 형태로 마련되고, 상기 복수 개의 pMUT 요소에 상기 절연 물질이 단속적으로 증착되는 초음파 트랜스듀서 장치의 제조 방법.
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