KR20230162525A - Mut 어레이에서의 크로스 토크의 감소를 위한 기술 - Google Patents
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Abstract
초음파 이미지의 바람직하지 않은 아티팩트를 완화하기 위해 MUT들 사이의 크로스 토크를 감소시키는 트렌치가 있는 미세가공 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이뿐만 아니라 이를 제조하는 방법이 개시된다.
Description
[교차 참조]
본 출원의 주제는, 여기에 전체 내용이 참조로 포함된 국제 특허 출원 No. PCT/US2020/050374(2020년 9월 11일 출원)의 주제와 관련된다.
미세 가공된 초음파 트랜스듀서(micromachined ultrasonic transducer; MUT)는 의료 이미징, 공기 결합 이미징, 거리 모니터링, 지문 모니터링, 비파괴 결함 모니터링, 및 진단을 포함하되 이에 국한되지 않는 많은 분야에서 큰 잠재력을 제공한다. 이러한 많은 애플리케이션에는 하나 이상의 MUT가 함께 작동한다. 예를 들어 고급 의료 초음파 이미징의 경우, 1024, 2048, 또는 4096 MUT가 있는 시스템을 찾는 것이 합리적이다.
제대로 작동하기 위해, MUT는 MUT가 부착된 음향 매체(acoustic medium)로 에너지를 전달하도록 디자인된다. 도 1a에 MUT 어레이의 일반화된 실시예가 도시되어 있다. 이 경우에, MUT는 캐비티(cavity)들(120a, 120b, 및 120c)에 의해 기판(100)의 내부 또는 상부 상에 형성된 가동 다이어프램(movable diaphragm)들(101a, 101b, 101c)로 표시된다. 다이어프램들(101a, 101b, 101c)은 계면(110)에서 반무한 음향 매체(semi-infinite acoustic medium)(200)에 음향적으로 커플링된다. 음향 매체(200)는 임의의 물질, 또는 복수의 물질일 수 있고; 일반적인 매체는 공기, 물, 조직, 전해 겔(electrolytic gel), 금속, 신체에 대한 매칭 층(matching layer)으로 사용되는 실리콘 고무 등을 포함한다.
작동 중에, 다이어프램들(101a-101c)은 주로 z 방향으로의 모션(motion)으로 여기된다. 여기는 일반적으로 압전 효과[압전 MUT(pMUT)의 경우] 또는 용량성 효과[용량성 MUT(cMUT)의 경우]에 의해 생성된다. 두 가지 경우 모두, 다이어프램의 모션은 음향 매체(200)로 전달되는 압력파를 생성한다. 그러나, 다이어프램의 모션은 또한 음향 매체(200) 외부에 원치 않는 파(wave)를 생성한다. 가장 흔한 원치 않는 파는 기판(100) 내에서 그리고 기판(100)을 통해 이동하는 탄성 압축파, 및 기판(100)과 음향 매체(200) 사이의 계면(110)뿐만 아니라 기판(100)에 부착된 다른 계면을 따라 이동하는 계면파이다.
음향 매체(200) 외부에서 방출되는 모든 에너지는 원치 않는 것이다. 이것은 전력을 낭비할 뿐만 아니라 MUT의 기능을 방해할 수 있다. 예를 들어, 의료 이미징에서 탄성 압축 파는 다른 표면에서 반사되어 음향 매체(200)로부터의 반사된 에너지로 형성된 의학적 관련 이미지 위의 정지 이미지와 같은 아티팩트(artifact)를 유발할 것이다. 다른 실시예로서, 계면(110)을 따라 이동하는 계면파는 의료 이미징에서 크로스 토크를 생성하여 스포트라이팅 효과(spot-lighting effect) 및 원치 않는 고스트 이미지를 생성한다.
MUT 어레이(210)의 일반화된 실시예가 도 1b에 도시되어 있다. MUT 어레이(210)는 기판(100) 및 복수의 MUT(101)를 포함한다. 복수의 MUT(101)는 기판의 표면에 부착된다. 각각의 MUT는 도 1a에 도시된 바와 같은 가동 다이어프램을 포함한다. 일부 실시형태에서, 각각의 MUT(101)는 pMUT이다. 일부 실시형태에서, 각각의 MUT(101)는 cMUT이다. MUT(101)는 직교 방향으로 배열된 2차원 어레이(210)로 배열될 수 있다. 즉, MUT(101)는 MUT(101)의 N 열 및 M 행을 갖는 2차원 M x N 어레이(210)로 형성된다. 열(N)의 수와 행(M)의 수는 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 경우에, 어레이(210)는, 예를 들어, 이미징되는 오브젝트의 더 넓은 각도를 제공하기 위해 만곡될 수 있다. 일부 경우에, 어레이는 도 1b에 디스플레이된 표준 정사각형 패킹이 아닌 육각 패킹과 같은 다른 패킹을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 어레이는 예를 들어, 미국 특허 No. 10,656,007에 기술된 바와 같이 비대칭일 수 있으며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 개시는 MUT 어레이의 압축 및 계면파 및 이들이 생성하는 크로스 토크의 문제를 해결하기 위한 새로운 솔루션을 제공한다. 도 2는 음향 매체(200)에 커플링된 실리콘 기판(100)으로 형성된 MUT 어레이에서의 이러한 크로스 토크의 예를 제공한다. 대각선 리플(ripple)(220)은 진행 압력파(traveling pressure wave)를 나타낸다. 2개의 점선(230)은 수음 매체(water acoustic medium)의 사운드 속도(speed of sound)(약 1,480m/s)을 나타낸다. 이들 라인(230) 아래의 리플 및 고진폭 데이터(240)는 일반적으로 양호한 음향 데이터를 나타낸다. 2개의 점선(230) 위의 데이터(250)는 다양한 형태의 크로스 토크를 나타낸다.
도 2의 데이터를 공간 및 시간 푸리에 변환하면 도 3의 f-k 플롯(plot)이 생성된다. 도 3에서, 점선(300)으로 표시된 크로스 토크 음향 에너지가 약 2,000~6,000m/s로 분포되어 있음을 알 수 있다. 실리콘에서 사운드의 종방향 속도는 약 8,800m/s인 반면 Rayleigh 및 Shear 파의 계면파 속도는 5,000~5,500m/s이다. 이것은 크로스 토크 에너지가 계면파와 벌크파의 조합으로 인한 것일 수 있음을 제안한다.
팬텀(phantom)을 이미징하기 위해 도 2와 도 3에 도시된 출력을 생성하는 데 사용된 것과 같은 MUT 어레이를 사용하면 도 4와 같은 결과가 생성된다. 2개의 아티팩트를 명확하게 볼 수 있다: (1) 이미지의 중앙 부분이 에지(edge)보다 밝은 “스포트라이트” 효과(420) 및 (2) 높은 반사 타겟의 “고스트” 이미지(430)가 이미지의 에지에서 명확함.
이러한 크로스 토크 에너지의 아티팩트는 바람직하지 않다. 압축 및 계면파를 방해하고 MUT 간의 크로스 토크를 현저히 감소시키는 일반적인 기술이 여기에 개시된다.
일 양태에서, 기판 및 복수의 MUT를 포함하는 MUT 어레이가 여기에 개시된다. 복수의 MUT는 기판의 표면에 부착된다. 각각의 MUT는 가동 다이어프램을 포함한다. 기판은 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 MUT에서의 각각의 MUT는 pMUT이다. 일부 실시형태에서, 복수의 MUT에서의 각각의 MUT는 cMUT이다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 표면으로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다(run). 일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 전체 두께에 걸쳐 있다(run).
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 표면 아래로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판으로부터 기판 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 기판을 통해 위로 반대편 표면(110)으로 이어진다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 일정 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 가변 폭을 갖는다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 다이어프램의 둘레로부터의 일정 거리를 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 다이어프램의 둘레로부터의 가변 거리를 갖는다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 다이어프램의 둘레의 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 주위에 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 다이어프램의 전체 둘레 주위에 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 MUT 중 MUT의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치가 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 복수의 MUT의 각각의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 음향 감쇠 재료로 적어도 부분적으로 충전된다.
일부 실시형태에서, 복수의 MUT는 복수의 열 및 복수의 행으로 배열된다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 MUT의 행을 따라 이어진다. 일부 실시형태에서, MUT의 각각의 행은 이 행을 따라 이어지는 트렌치를 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 MUT의 열을 따라 이어진다. 일부 실시형태에서, MUT의 각각의 열은 이 열을 따라 이어지는 트렌치를 갖는다. 일부 실시형태에서, MUT의 각각의 행은 이 행을 따라 이어지는 제1 트렌치를 갖고, MUT의 각각의 열은 이 열을 따라 이어지는 제2 트렌치를 갖는다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 복수의 MUT 중 단일 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 MUT의 각각의 MUT는 트렌치에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
일부 실시형태에서, MUT 어레이는, 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로, 적어도 제2 트렌치를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수이 MUT 중 단일 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 제2 트렌치가 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 MUT의 각각의 MUT는 제1 트렌치 및 제2 트렌치에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 인접한 한쌍의 MUT 사이에 배치된다.
일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 복수의 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 MUT 당(per) 하나의 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 인접한 한쌍의 MUT 당 하나의 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 MUT 당 하나 미만의 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 인접한 한쌍의 MUT 당 하나 미만의 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 MUT 당 하나보다 많은 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기판은 복수의 MUT 중 인접한 한쌍의 MUT 당 하나보다 많은 트렌치를 포함한다.
일부 실시형태에서, MUT 어레이는 의료 이미징을 위해 구성된다.
다른 양태에서, MUT 어레이를 제조하는 방법이 여기에 개시된다.
[참조문헌에 의한 통합]
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 참조로 포함되는 것으로 구체적이고 개별적으로 표시된 것처럼 동일한 정도로 참조로 여기에 포함된다.
본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해는 예시적인 실시형태 및 첨부 도면을 설명하는 다음의 상세한 설명을 참조하여 얻어질 것이다.
도 1a는 실시형태에 따른 음향 매체(200)에 부착된 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 1b는 실시형태에 따른 MUT 어레이(210)의 상면도를 도시한다.
도 1c는 실시형태에 따른 이미징 디바이스(105)의 블록도이다.
도 1d는 실시형태에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 1e는 실시형태에 따른, 도 1d의 방향 4-4를 따라 취해진 MUT의 단면도를 도시한다.
도 2는 실시형태에 따른 방위각 방향으로 대략 22 mm에 걸쳐 있는 128개의 엘리먼트를 갖는 MUT 어레이의 모션의 진폭을 나타내는 그래프이다. 중앙에 있는 2개의 MUT가 작동되었고, 나머지 126개의 MUT가 응답을 위해 모니터링되었다. 그레이 레벨(grey level)은 포지티브(흰색 방향) 또는 네거티브(검은색 방향) 다이어프램 편향을 나타낸다. 두 개의 작동된 엘리먼트는 크로스 토크 리플을 시각화할 수 있도록 플롯에서 제거되었다. 점선(230)은 대략 1,480m/s 속도의 파로 정의된 이미징 원뿔을 나타낸다.
도 3은, 실시형태에 따른, 공간 및 주파수 도메인에서의 데이터를 나타내는 도 2로부터의 데이터의 공간 및 시간에서의 푸리에 변환(f-k 플롯으로도 지칭됨)을 나타내는 그래프이다. 진폭은 푸리에 데이터의 최대 진폭을 기준으로 dB 단위로 표시되며 흰색 데이터는 더 높은 진폭의 검정색 파란색 데이터를 갖는다. 2 내지 4 MHz와 0.5 내지 1.5 μsec 사이의 원으로 표시된 데이터가 원하지 않는 크로스 토크이다.
도 4는 실시형태에 따른, 도 2 및 도 3과 유사한 MUT 어레이로 촬영한 초음파 이미지이다. "스포트라이트" 효과는 2개의 화살표(420)에 의해 강조 표시되는 반면, "고스팅(ghosting)" 아티팩트는 원(430)으로 표시된다.
도 5a 및 도 5b는 실시형태에 따른 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(diaphragm-side cross-talk trench)(103)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 실시형태에 따른 매립 크로스 토크 트렌치(buried cross-talk trench)(104)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 실시형태에 따른 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(cavity-side cross-talk trench)(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 실시형태에 따른 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 및 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 9a 내지 도 9d는 실시형태에 따른 (a) 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103), (b) 매립 크로스 토크 트렌치(104), (c) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105), 및 (d) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(103)와 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 모두를 갖는 매립 캐비티를 가진 용량성 MUT의 단면도이다.
도 10은 실시형태에 따른, 다중 기판 두께에 대한 트렌치 깊이 대 크로스 토크 트렌치(103)의 시뮬레이션된 감쇠를 나타내는 그래프이다. y축은 작동되는 엘리먼트에 인접한 엘리먼트의 최대 속도를 작동되는 엘리먼트의 최대 속도로 나눈 값(dB)이다.
도 11a 및 도 11b는 실시형태에 따른, 크로스 토크 트렌치(150μm 실리콘 기판에서 75μm 깊이)가 (b) 있는 경우와 (a) 없는 경우의 MUT 어레이의 이미지와 f-k의 비교를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 실시형태에 따른 다양한 스탠드오프(stand-off) 및 폭에서 각각 50 μm 및 25 μm 깊이의 캐비티 측 트렌치에 대한 3.50 MHz, 3dB 시프트에서의 방위각 응답을 나타낸다.
도 1a는 실시형태에 따른 음향 매체(200)에 부착된 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 단면을 나타낸 개략도이다.
도 1b는 실시형태에 따른 MUT 어레이(210)의 상면도를 도시한다.
도 1c는 실시형태에 따른 이미징 디바이스(105)의 블록도이다.
도 1d는 실시형태에 따른 MUT의 상면도를 도시한다.
도 1e는 실시형태에 따른, 도 1d의 방향 4-4를 따라 취해진 MUT의 단면도를 도시한다.
도 2는 실시형태에 따른 방위각 방향으로 대략 22 mm에 걸쳐 있는 128개의 엘리먼트를 갖는 MUT 어레이의 모션의 진폭을 나타내는 그래프이다. 중앙에 있는 2개의 MUT가 작동되었고, 나머지 126개의 MUT가 응답을 위해 모니터링되었다. 그레이 레벨(grey level)은 포지티브(흰색 방향) 또는 네거티브(검은색 방향) 다이어프램 편향을 나타낸다. 두 개의 작동된 엘리먼트는 크로스 토크 리플을 시각화할 수 있도록 플롯에서 제거되었다. 점선(230)은 대략 1,480m/s 속도의 파로 정의된 이미징 원뿔을 나타낸다.
도 3은, 실시형태에 따른, 공간 및 주파수 도메인에서의 데이터를 나타내는 도 2로부터의 데이터의 공간 및 시간에서의 푸리에 변환(f-k 플롯으로도 지칭됨)을 나타내는 그래프이다. 진폭은 푸리에 데이터의 최대 진폭을 기준으로 dB 단위로 표시되며 흰색 데이터는 더 높은 진폭의 검정색 파란색 데이터를 갖는다. 2 내지 4 MHz와 0.5 내지 1.5 μsec 사이의 원으로 표시된 데이터가 원하지 않는 크로스 토크이다.
도 4는 실시형태에 따른, 도 2 및 도 3과 유사한 MUT 어레이로 촬영한 초음파 이미지이다. "스포트라이트" 효과는 2개의 화살표(420)에 의해 강조 표시되는 반면, "고스팅(ghosting)" 아티팩트는 원(430)으로 표시된다.
도 5a 및 도 5b는 실시형태에 따른 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(diaphragm-side cross-talk trench)(103)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는 실시형태에 따른 매립 크로스 토크 트렌치(buried cross-talk trench)(104)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 실시형태에 따른 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(cavity-side cross-talk trench)(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 실시형태에 따른 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 및 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다.
도 9a 내지 도 9d는 실시형태에 따른 (a) 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103), (b) 매립 크로스 토크 트렌치(104), (c) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105), 및 (d) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(103)와 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 모두를 갖는 매립 캐비티를 가진 용량성 MUT의 단면도이다.
도 10은 실시형태에 따른, 다중 기판 두께에 대한 트렌치 깊이 대 크로스 토크 트렌치(103)의 시뮬레이션된 감쇠를 나타내는 그래프이다. y축은 작동되는 엘리먼트에 인접한 엘리먼트의 최대 속도를 작동되는 엘리먼트의 최대 속도로 나눈 값(dB)이다.
도 11a 및 도 11b는 실시형태에 따른, 크로스 토크 트렌치(150μm 실리콘 기판에서 75μm 깊이)가 (b) 있는 경우와 (a) 없는 경우의 MUT 어레이의 이미지와 f-k의 비교를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 실시형태에 따른 다양한 스탠드오프(stand-off) 및 폭에서 각각 50 μm 및 25 μm 깊이의 캐비티 측 트렌치에 대한 3.50 MHz, 3dB 시프트에서의 방위각 응답을 나타낸다.
특정 실시형태에서, 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이가 여기에 설명된다.
일 양태에서, 기판 및 복수의 MUT를 포함하는 MUT 어레이가 여기에 개시된다. 복수의 MUT는 기판의 표면에 부착된다. 각각의 MUT는 가동 다이어프램을 포함한다. 기판은 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 MUT의 각각의 MUT는 pMUT이다. 일부 실시형태에서, 복수의 MUT의 각각의 MUT는 cMUT이다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 표면으로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다(run). 일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 전체 두께에 걸쳐 있다(run).
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 반대편 표면으로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 표면 아래로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 일정 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 가변 폭을 갖는다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 다이어프램의 둘레로부터의 일정 거리를 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 다이어프램의 둘레로부터의 가변 거리를 갖는다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 다이어프램의 둘레의 적어도 50%, 70%, 또는 90% 주위에 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 다이어프램의 전체 둘레 주위에 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 MUT 중 MUT의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치가 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 복수의 MUT의 각각의 MUT의 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치는 음향 감쇠 재료로 적어도 부분적으로 충전된다.
일부 실시형태에서, MUT 어레이는 의료 이미징을 위해 구성된다.
또한 특정 실시형태에서의 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(MUT) 어레이의 제조 방법이 여기에 개시된다.
[특정 정의]
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 기술 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수형 "a", "an", 및 "the"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 본원에서 “또는”에 대한 모든 언급은 달리 언급되지 않는 한 “및/또는”을 포함하도록 의도된다.
[MUT]
본 개시는 압전 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasound transducer; pMUT) 또는 용량성 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachine ultrasonic transducer; cMUT) 기술을 포함하는 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(MUT) 기술을 사용하는 이미징 디바이스의 콘텍스트에서 사용될 수 있다.
도 1c는 선택적으로 변경 가능한 채널(106, 108)을 갖고, 컨트롤러(109)에 의해 제어되고, 여기에 설명된 원리에 따라 컴퓨팅 디바이스(110) 상에서 수행되는 이미징 계산을 갖는 이미징 디바이스(105)의 블록도이다. 이미징 디바이스(105)는 내부 조직, 뼈, 혈류, 또는 인간이나 동물 신체의 장기(organ)의 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 이미징 디바이스(105)는 신체에 신호를 송신하고 이미징되는 신체 부분으로부터의 반사 신호를 수신한다. 이러한 이미징 디바이스는 광 음향 또는 초음파 효과에 기초할 수 있는 트랜시버 또는 이미저(imager)로 지칭될 수 있는 pMUT 또는 cMUT를 포함할 수 있다. 이미징 디바이스(105)는 또한 다른 오브젝트를 이미징하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 이미징 디바이스(105)는 의료 이미징; 파이프, 스피커 및 마이크 어레이의 유량 측정; 쇄석술; 치료를 위한 국소 조직 가열; 그리고 고강도 집속 초음파(highly intensive focused ultrasound; HIFU) 수술에 사용될 수 있다.
인간 환자에 의한 사용 외에도, 이미징 디바이스(105)는 동물의 내부 장기의 이미지를 얻는 데에도 사용될 수 있다. 또한, 내부 장기를 이미징하는 것 외에도, 이미징 디바이스(105)는 또한 도플러 모드 이미징에서와 같이 동맥 및 정맥에서 혈류의 방향 및 속도를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 조직 강성을 측정하는 데에도 사용될 수 있다.
이미징 디바이스(105)는 상이한 타입의 이미징을 수행하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 이미징 디바이스(105)는 A Scan으로도 알려진 1차원 이미징, B scan으로도 알려진 2차원 이미징, C scan으로도 알려진 3차원 이미징, 및 도플러 이미징을 수행하는데 사용될 수 있다. 이미징 디바이스(105)는 상이한 이미징 모드로 스위칭되고 프로그램 제어 하에 전자적으로 구성될 수 있다.
이러한 이미징을 용이하게 하기 위해, 이미징 디바이스(105)는 pMUT 또는 cMUT 트랜스듀서의 어레이(210)를 포함하고, 각 트랜스듀서(210)는 트랜스듀서 엘리먼트(즉, MUT)(101)의 어레이를 포함한다. MUT(101)는 1) 신체 또는 다른 질량체를 통과하는 압력파를 생성하고 2) 이미징될 신체 또는 다른 질량체 내의 오브젝트로부터 반사파를 수신하도록 동작한다. 일부 실시예에서, 이미징 디바이스(105)는 초음파 파형을 동시에 송신하고 수신하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 특정 MUT(101)는 이미징되는 타겟 오브젝트를 향해 압력파를 보내고, 타겟 오브젝트로부터 반사된 압력파를 수신하고 수신된 파에 응답하여 전하를 생성할 수 있다.
도 1d는 예시적 MUT(400)(본 실시예에서, pMUT)의 상면도를 도시한다. 도 1e는 본 개시의 실시형태에 따른, 도 1d에서의 라인 4-4를 따라 취해진 MUT(400)의 단면도를 도시한다. MUT(400)는 여기에 개시된 MUT(101)와 실질적으로 유사할 수 있다. 도시된 바와 같이, MUT는 기판(402)으로부터 매달려 있고(suspended) 캐비티(404) 위에 배치된 멤브레인 층(406); 멤브레인 층(또는 짧게 멤브레인)(406) 상에 배치된 하부 전극(O)(408); 하부 전극(O)(408) 상에 배치된 압전 층(410); 및 압전 층(410) 상에 배치된 상부 전극(X)(412)을 포함할 수 있다.
cMUT이든 pMUT이든 MUT는 다양한 반도체 웨이퍼 제조 동작을 활용하여 기판에 상에 효율적으로 형성될 수 있다. 반도체 웨이퍼는 6인치, 8인치 및 12인치 사이즈로 제공될 수 있으며 수백 개의 트랜스듀서 어레이를 수용할 수 있다. 이러한 반도체 웨이퍼는 다양한 프로세스 단계가 수행되는 실리콘 기판으로 시작한다. 이러한 동작의 예는 절연 산화물로도 알려진 SiO2 층의 형성이다. 인터커넥트 및 본드 패드 역할을 하기 위해 금속 층을 추가하는 것과 같은 다양한 다른 단계를 수행하여 다른 전자 장치에 접속할 수 있다. 가공 동작의 또 다른 예는 기판 내의 캐비티(예컨대, 도 1e의 캐비티(404))의 에칭이다.
본 개시에 따르면, 크로스 토크를 현저히 감소시키기 위해, 웨이퍼 제조 프로세스 동안, 각 MUT(101)를 대략적으로 둘러싸는 트렌치(103)가 기판(100) 내에 형성된다. 이 실시예가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 도 5a는 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103)를 가진 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)를 나타내는 예시적 개략도를 도시한다. 도 5b는 도 5a에서의 라인 A-A’를 따라 취해진 MUT 어레이의 단면도를 도시한다. MUT 어레이는 하나 이상의 트렌치(103)가 추가된 도 1a 내지 도 1c에 도시된 어레이와 실질적으로 유사할 수 있다. MUT 어레이(210)는 기판(100) 및 복수의 MUT(101a-101c)를 포함한다. 복수의 MUT(101a-101c)는 기판(100)의 표면에 부착된다. 각각의 MUT(101a-101c)는 가동 다이어프램을 포함한다. 기판(100)은 복수의 MUT의 다이어프램(101a-101c)의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치(103)를 포함한다. 트렌치(103)는 기판(100)과 크로스 토크 트렌치(103) 내에 있는 모든 물질 사이에 임피던스 미스매치(impedance mismatch)를 도입한다. 이 임피던스 미스매치는 감쇠, 반사, 및 산란을 통해 크로스 토크 파를 방해한다.
크로스 토크 트렌치(103)의 위치는 트렌치에 의해 제공되는 감쇠량에 영향을 미칠 것이다. 도 3의 속도 데이터는 계면(110)에서의 계면파가 크로스 토크 에너지의 일부를 설명한다는 것을 제시한다. Rayleigh 파와 같은 계면파는 일반적으로 진행파의 파장을 특징으로 하는 계면의 일정 거리 내에서 계면 영역과 물질에 영향을 미친다. 이 경우, 기판(100)의 표면에 부착되고 계면(110)과 교차하는 트렌치(103)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 같이 계면(110) 근처에 있지 않은 매립 크로스 토크 트렌치(104)에 비해 최적일 것이다.
도 7a 및 도 7b는 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다. 일부 실시형태에서, 기판(100)은 복수의 MUT의 캐비티(120a-101c)의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 캐비티 측 트렌치(105)를 포함한다. 트렌치(105)는 기판(100)과 크로스 토크 트렌치(105) 내에 있는 모든 물질 사이에 임피던스 미스매치(impedance mismatch)를 도입한다. 이 임피던스 미스매치는 감쇠, 반사, 및 산란을 통해 크로스 토크 파를 방해한다. 캐비티 측 트렌치(105)는 탄성파 경로 길이를 증가시킴으로써 크로스 토크 속도를 감소시키는 데 효과적이다.
도 8a 및 도 8b는 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 및 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105)를 갖는 일반화된 MUT 어레이(101a-101c)의 (a) 레이아웃 및 (b) 단면도를 도시한 예시적 개략도이다. 일부 실시형태에서, 기판(100)은 다이어프램 측 트렌치(103) 및 캐비티 측 트렌치(105) 모두를 포함한다. 적어도 일부 예에서, 다이어프램 측 트렌치(103)와 캐비티 측 트렌치(105)의 조합은 어느 하나의 트렌치 타입 이상의 크로스 토크 효과(예컨대, 속도를 낮추고 및/또는 크로스 토크 효과의 진폭을 낮춤으로써)를 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 기판(100)은 다이어프램 측 트렌치(104), 매랩된 트렌치(104, 및 캐비티 측 트렌치(105)를 포함한다.
도 9a 내지 도 9d는 (a) 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103), (b) 매립 크로스 토크 트렌치(104), (c) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(105), 및 (d) 캐비티 측 크로스 토크 트렌치(103)와 다이어프램 측 크로스 토크 트렌치(103) 모두를 갖는 매립 캐비티를 가진 용량성 MUT의 단면도이다. MUT 어레이(210)는 기판(100) 및 복수의 MUT(101a-101c)를 포함한다. 복수의 MUT(101a-101c)는 기판(100)의 표면에 부착된다. 각각의 MUT((101a-101c)는 매립 캐비티(130a, 130b, 및 130c)에 의해 기판(100) 내에 또는 상부 상에 형성된 가동 다이어프램을 포함한다. 기판(100)은 복수의 MUT의 다이어프램(101a-101c)의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치(103, 104, 및/또는 105)를 포함한다. 트렌치(103, 104, 및/또는 105)는 기판(100)과 크로스 토크 트렌치(103, 104, 및/또는 105) 내에 있는 모든 물질 사이에 임피던스 미스매치(impedance mismatch)를 도입한다. 이 임피던스 미스매치는 감쇠, 반사, 및 산란을 통해 크로스 토크 파를 방해한다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 DRIE(deep reactive ion etching), 플라즈마 에칭, 습식 에칭, 또는 여기의 교시에 기초하여 당업자에게 자명할 다른 에칭 기술을 통해 형성된다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 1 μm 내지 40 μm(예컨대, 1 μm과 40 μm의 사이)의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레로부터의 일정 거리를 갖는다. 대안적으로 또는 조합으로, 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 1 μm 내지 40 μm(예컨대, 1 μm과 40 μm의 사이)의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레로부터의 가변 거리를 갖는다. 다이어프램 또는 캐비티의 둘레로부터의 트렌치(103, 104, 또는 105)의 거리는 원하는 만큼 가깝거나(예컨대, 원자적으로 가깝거나) 멀 수 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 다이어프램 또는 캐비티의 둘레의 적어도 50%, 70%, 또는 90% 주위에 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 다이어프램 또는 캐비티의 전체 둘레의 주위에 있다.
일부 실시형태에서, 복수의 MUT 중 MUT의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 복수의 MUT의 각각의 MUT의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 MUT의 제1 측면 상의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다. 선택적으로, 제2 트렌치(103, 104, 또는 105)는 MUT의 제2 측면 상의 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있다. 일부 실시형태에서, MUT는 그 양 측면 상에 트렌치(103, 104, 또는 105)를 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 대칭적으로 배치된다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 다이어프램 또는 캐비티의 둘레 주위에 비대칭적으로 배치된다. 일부 실시형태에서, MUT는 그 단일 측면 상에 트렌치(103, 104, 또는 105)를 갖는다.
도 10에 도시된 바와 같이 크로스 토크 트렌치(103, 104, 또는 105)의 깊이는 감쇠에 영향을 미칠것이다. 도 10은 다중 기판 두께(75μm 또는 150 μm)에 대한 트렌치 깊이(0-55 μm의 범위) 대 크로스 토크 트렌치(103)의 시뮬레이션된 감쇠를 나타내는 그래프이다. y축은 작동되는 엘리먼트에 인접한 엘리먼트의 최대 속도를 작동되는 엘리먼트의 최대 속도로 나눈 값(dB)이다. 이 경우에, 시뮬레이션은 더 깊은 크로스 토크 트렌치(103)가 얕은 트렌치(shallow trench)보다 더 효과적이라는 것을 나타낸다. 이것은, 계면파(interfacial wave)와 종파(longitudinal wave) 모두 수직 공간적 범위를 갖기 때문이다. 더 큰 깊이를 가진 트렌치는 트렌치에 의해 방해되는 크로스 토크 파의 더 큰 비율을 초래한다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 기판의 표면(다이어프램 측 또는 캐비티 측)으로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 전체 두께(예컨대, 100%)로 이어진다. 일부 실시형태에서, 트렌치는 기판의 표면(다이어프램 측 또는 캐비티 측)으로부터 기판의 두께의 대략 1%까지 이어진다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 기판의 표면(다이어프램 측 또는 캐비티 측) 아래로부터 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어진다.
마지막으로, 트렌치 측면 폭은 또한 특히 트렌치가 높은 감쇠 물질로 충전되어 있는 경우, 크로스 토크 트렌치(103, 104 또는 105)의 감쇠 특성에 영향을 미칠 것이다. 더 큰 측면 치수 및/또는 더 많은 수의 트렌치는 더 나은 크로스 토크 감쇠를 생성한다. 가장 일반적인 MUT 어레이에서, 크로스 토크 트렌치(103, 104)의 측면 폭은 MUT의 패킹 밀도에 의해 제한될 것이다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 1 μm 내지 40 μm의 일정 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 1 μm 내지 100 μm의 일정 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 5 μm 내지 10 μm의 일정 폭을 갖는다. 트렌치(103, 104 또는 105)의 폭은 원하는 만큼 얇거나(예를 들어, 원자적으로 얇거나) 클 수 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 1 μm 내지 40 μm의 가변 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 1 μm 내지 100 μm의 가변 폭을 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 5 μm 내지 10 μm의 가변 폭을 갖는다. 트렌치(103, 104 또는 105)의 폭은 원하는 만큼 얇거나(예를 들어, 원자적으로 얇거나) 클 수 있다.
일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 음향 감쇠물질로 적어도 부분적으로 충전된다. 대안적으로 또는 조합으로, 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104, 또는 105)는 음향 감쇠 물질로 적어도 부분적으로 충전된다.
일부 실시형태에서, MUT마다 하나의 트렌치(103, 104 또는 105)가 있다. 일부 실시형태에서, 인접한 한쌍의 MUT마다 하나의 트렌치(103, 104 또는 105)가 있다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105)는 하나의 연속 트렌치로서 MUT 사이에서 교차하고 이어질 수 있다. 일부 실시형태에서, 한쌍의 MUT 마다 하나 미만의 트렌치(103, 104 또는 105)가 있다. 일부 실시형태에서, MUT마다 하나보다 많은 트렌치(103, 104 또는 105)가 있다.
일부 실시형태에서, MUT마다 하나보다 많은 트렌치(103, 104 또는 105)가 있다. 예컨대, 각각의 MUT는 MUT의 제1 측면 상에 제1 근위 트렌치(proximal trench)를 그리고 MUT의 제2 측면 상에 제2 근위 트렌치를 가지며, 이에 따라 각각의 인접한 MUT 쌍은 그들 사이에 적어도 2개의 트렌치를 갖는다. 제1 MUT의 제1 측면 상의 근위 트렌치 및 제2 MUT의 제2 측면 상의 근위 트렌치는 제1 MUT와 제2 MUT 사이의 기판 내에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 인접한 제1 MUT와 제2 MUT 사이의 총 적어도 3개의 트렌치에 대해, 중앙 트렌치가 근위 트렌치들 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 근위 트렌치 및 중앙 트렌치는 기판의 동일 표면(다이어프램 측 또는 캐비티 측) 내에 형성된다. 일부 실시형태에서, 근위 트렌치 및 중앙 트렌치는 기판의 상이한 표면 내에 형성된다. 예컨대, 도 8b 및 도 9d에 도시된 바와 같이, 근위 트렌치(103)는 다이어프램 측 내에 형성될 수 있고, 중앙 트렌치(105)는 캐비티 측 내에 형성될 수 있다. 적어도 일부 예에서, 근위 다이어프램 측 트렌치(103)와 중앙 캐비티 측 트렌치(105)의 조합은 어느 하나의 트렌치 타입 이상의 크로스 토크 효과(예컨대, 속도를 낮추고 및/또는 크로스 토크 효과의 진폭을 낮춤으로써)를 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, MUT 어레이의 모든 트렌치(103, 104 또는 105)는 동일 치수를 갖는다. 일부 실시형태에서, 트렌치(103, 104 또는 105) 중 하나 이상은 상이한 치수를 갖는다. 예컨대, 도 8b 및 도 9d에 도시된 중앙 트렌치(105)는 근위 트렌치(103)보다 더 넓을 수 있다.
일부 실시형태에서, MUT의 적어도 80%를 둘러싸는 MUT당 하나의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다. 대안적으로 또는 조합으로, MUT의 각각의 행 아래에 하나의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다. 대안적으로 또는 조합으로, MUT의 각각의 열 아래에 하나의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다. 대안적으로 또는 조합으로, MUT의 각각의 행 아래 하나의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 그리고 MUT의 각각의 열 아래 하나의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다. 대안적으로 또는 조합으로, 각 MUT 주위에 다수의 트렌치(103, 104, 또는 105)가 있다.
이러한 트렌치의 효율성은 150 μm 기판이 있는 실리콘 MUT 어레이에서 입증되었다. 도 11a는 크로스 토크 트렌치 없는 MUT 어레이(101a-101c)의 f-k 및 이미지를 도시한다. 도 11b는 크로스 토크 트렌치(103)(150 μm 실리콘 기판에서의 75 μm 깊이)를 가진 MUT 어레이(101a-101c)의 f-k 및 이미지를 도시한다. 도 11a 및 11b에 도시된 바와 같이, 크로스 토크 트렌치(103)는 크로스 토크 에너지를 효과적으로 감소시키고 크로스 토크와 연관된 "스포트라이트"(420) 및 고스팅(430) 아티팩트를 제거한다.
[트렌치가 있는 pMUT의 제조 방법]
도 5a 내지 도 8b에 도시된 pMUT와 같은 트렌치를 갖는 pMUT의 예시적인 제조 방법이 이제 설명된다.
(a) 첫번째로, 기판(예컨대, 기판(402 또는 100)), 통상적으로 단일 크리스탈 실리콘이 제공된다.
(b) 원하는 경우, “핸들(handle)” 웨이퍼를 생성하기 위해 기판 내에 매립 크로스 토크 트렌치(104)가 패터닝되고 에칭될 수 있다. 다른 실리콘 "디바이스" 웨이퍼는 (예컨대, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이) 그 사이에 매립 트렌치(104)를 형성하기 위해 열적으로 산화된 다음 "핸들"에 용융 본딩될(fusion bonded) 수 있다. "디바이스" 웨이퍼는 원하는 다이어프램 두께로 그라인딩되고(ground) 폴리싱될(polished) 수 있다.
(c) 이어서, 기판 위에 절연 층이 성막될 수 있다. 절연층은 통상적으로 두께가 약 0.1μm ~ 3μm인 SiO2의 일부 형태이다. 일반적으로 열 산화, PECVD 성막 또는 다른 기술을 통해 성막된다.
(d) 이어서, 제1 금속 층(408)(M1 또는 금속 1로도 지칭됨)이 성막될 수 있다. 통상적으로 이것은 기판에 부착되고, 압전의 확산을 방지하고, 구조화된 성막/성장에서 압전을 보조하고, 도전성인 필름의 조합이다. SRO(SrRuO3)는, 확산 장벽과 전도(conduction)를 위해 Pt 위에서, (Pt에서 SiO2로) 접착 층으로서 Ti 위에서의 구조화된 필름 성장을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 이러한 층은 200 nm 미만으로 얇으며 일부 필름은 10~40 nm이다. 스트레스, 제조 및 비용 문제는 일반적으로 이 스택을 1 μm 미만으로 제한할 것이다. 도체(Pt)는 일반적으로 구조화 층(structuring layer)(SRO) 및 접착 층(Ti)보다 두껍다. SRO가 아닌 다른 일반적인 구조화 층은 (La0.5Sr0.5)CoO3, (La0.5Sr0.5)MnO3, LaNiO3, RuO2, IrO2, BaPbO3 등을 포함한다. Pt는 Cu, Cr, Ni, Ag, Al, Mo, W, 및 NiCr과 같은 다른 도전성 물질로 대체될 수 있다. 이러한 다른 물질은 일반적으로 열악한 확산 장벽, 취성 또는 불리한 접착력과 같은 단점이 있으며, Pt가 가장 일반적으로 사용되는 도체이다. 접착 층 Ti는 TiW, TiN, Cr, Ni, Cr 등과 같은 임의의 일반적인 접착 층으로 대체될 수 있다.
(e) 이어서, 압전 물질(410)이 성막될 수 있다. 적합한 압전 물질의 몇 가지 일반적인 예는 PZT, KNN, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF, 및 LiNiO3를 포함한다. 압전 층의 두께는 100 nm와 5 μm 사이 또는 가능하면 그 이상으로 다양할 수 있다.
(f) 이어서, 제2 금속 층(412)(M2 또는 금속 2로도 지칭됨)이 성막될 수 있다. 제2 금속 층(412)은 제1 금속 층(408)과 유사할 수 있고, 유사한 목적을 제공할 수 있다. M2의 경우 M1과 동일한 스택을 사용할 수 있지만, 반대로 구조용 SRO 상부의 확산을 방지하기 위해 Pt 상단의 접착을 위한 Ti를 사용할 수 있다.
(g) 이어서, 제2 금속 층 또는 M2(412)가 패터닝되고 에칭될 수 있고, 압전 층 상에서 정지된다. 에칭은 여기에서 예를 들어 RIE(반응성 이온 에칭), 이온 밀(ion mill), 습식 화학적 에칭, 등방성 가스 에칭 등을 통해 여러 방식으로 이루어질 수 있다. 패터닝 및 에칭 후에, M2를 패터닝하는데 사용되는 포토레지스터는 습식 에칭 및/또는 건식 에칭을 통해 벗겨질 수 있다. 여기에서 설명한 cMUT 및 pMUT를 제조하기 위한 다수의 실시형태에서, 임의의 수의 에칭 방식이 사용될 수 있고, 포토레지스트는 통상적으로 대부분의 패터닝 및 에칭 단계 후에 벗겨진다.
(h) 이어서, 압전 층이 유사하게 패터닝되고 에칭될 수 있고, 제1 금속 층 또는 M1(408) 상에서 정지된다. 통상적으로, 습식, RIE, 및/또는 이온 밀 에칭이 사용된다.
(i) 이어서, 제1금속 층 또는 M1(408)이 유사하게 패터닝되고 에칭될 수 있고, 유전체 절연 층 상에서 정지된다.
(j) 원한다면, 하기의 내용 중 하나 또는 모두가 추가될 수 있다:
(1) H2 장벽. 압전 층으로의 H2 확산은 그 수명을 제한할 수 있다. 이것을 방지하기 위해 H2 장벽이 사용될 수 있다. 이것을 달성하기 위해 40 nm의 ADL(atomic layer deposition) 알루미늄 산화물(Al2O3)이 사용될 수 있다. 다른 적합한 물질은 SiC, 다이아몬드형 탄소 등을 포함할 수 있다.
(2) RDL(redistribution layer) 이 층은 M1과 M2 사이의 접속 및 다른 접속(예컨대, 와이어본드, 범프 본드 등)을 제공할 수 있다. RDL은, 첫번째로 산화물 등의 유전체를 추가하는 것, 유전체에 비아를 에칭하는 것, 도체(통상적으로 Al)를 성막하는 것, 마지막으로 도체를 패터닝하는 것에 의해 형성될 수 있다. 또한, 물리적 긁힘, 우발적 단락 및/또는 습기 침투를 방지하기 위해 패시베이션 층(일반적으로 산화물 + 질화물)을 추가할 수 있다.
(k) 다이어프램 측 트렌치(103)가 (도 5a, 5b, 8a, 8b에 도시된 바와 같이) 패터닝되고 에칭될 수 있다. 유전체 층은 RIE 또는 습식 에칭을 통해 에칭될 수 있다. 기판(100)은 통상적으로 실리콘이고, 통상적으로 DRIE(deep reactive ion etching)를 통해 에칭될 수 있다.
(l) 흔히 SOI(silicon on insulator) 기판이 사용된다. 이러한 경우에, 다이어프램(101) 바로 아래에 매립 산화물(BOX) 층 또는 매립 절연체 층이 있다. 이어서, 다이어프램은 "디바이스" 층(BOX 위의 층) 및 BOX 층 아래의 "핸들" 층으로 구성된다. 디바이스 층 내의 캐비티는 BOX 상에서 정지될 수 있으며 핸들 층 외부로 에칭될 수 있다. 이 경우 트렌치 에칭에는 두 가지 추가 단계가 포함될 수 있다: (1) DRIE를 통해 디바이스 층을 에칭한 후에, BOX(통상적으로 건식 RIE 에칭을 통해, 또는 일부의 경우에 습식 에칭을 통해)를 에칭하는 단계, 및 (2) 원하는 깊이로 DRIE를 통해 핸들 층을 에칭하는 단계. 대부분의 SOI 웨이퍼는 실리콘이며, 이는 디바이스 층 및 핸들 층이 통상적으로 단결정 실리콘임을 의미한다. 이 경우 절연체 BOX는 일반적으로 "매립 산화물"이라고 불리는 열적 성장된 실리콘 이산화물이며, 여기서 "BOX"라는 용어가 유래되었다. 통상적으로 단결정 실리콘 핸들을 가진 실리콘 SOI 웨이퍼 및 산화물 BOX를 가진 디바이스 층이 사용될 수 있다. 디바이스 층은 5 μm일 수 있지만 통상적으로 100 nm와 100 μm 사이에서 변할 수 있고, 핸들 층 두께는 통상적으로 100 μm와 1000 μm 사이에서 변한다. 통상적으로 BOX는 100 nm 내지 5 μm이지만, 다수의 경우에 1 μm가 사용될 수 있다.
(m) 원한다면, 웨이퍼 또는 핸들의 후면은 이 시점에 그라인딩 및 선택적으로 폴리싱되는 것을 통해 시닝(thinning)될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 핸들 층은 500 μm 내지 300 μm 두께로 시닝된다. 통상적으로 일반적인 두께는 50 μm에서 1000 μm 사이에서 변한다.
(n) 캐비티 측 트렌치(105)가 (예컨대, 도 7a 내지 도 8b에 도시된 바와 같이) 패터닝되고 에칭될 수 있다. 기판(100)의 후면은 통상적으로 DRIE(deep reactive ion etching)을 통해 에칭될 수 있다.
(o) 캐비티는 웨이퍼 또는 핸들의 후면 상에 패터닝될 수 있고, 캐비티는 에칭될 수 있다. 통상적으로, 웨이퍼/핸들은 실리콘으로 구성되고, 에칭은 DRIE에 의해 달성된다. 에칭은 타이밍될(timed) 수 있다. 캐비티는 캐비티 측 트렌치(105)와 동일 시간에 에칭될 수 있다. 에칭은 BOX 상에서 선택적으로 정지될 수 있다. 캐비티는 KOH, TMAH, HNA, 및 RIE 등의 다른 기술을 통해 에칭될 수 있다. 웨이퍼는 포토레지스트 스트립(photoresist strip) 후에 완전한 것으로 간주될 수 있다.
본 명세서의 교시에 기초하여 당업자는 유사한 최종 결과를 달성하기 위해 다른 프로세스가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
[트렌치가 있는 cMUT의 제조 방법]
도 9a 내지 도 9d에 도시된 cMUT와 같은 트렌치를 갖는 cMUT의 예시적인 제조 방법이 이제 설명된다.
(a) 첫번째로, 기판(예컨대, 기판(402 또는 100)), 통상적으로 단일 크리스탈 실리콘이 제공된다.
(b) 이어서, 기판이 열적으로 산화될 수 있다.
(c) 캐비티(130a, 130b, 130c)는 “핸들” 웨이퍼를 생성하기 위해 산화물로 패터닝되고 에칭될 수 있다. 이것은 통상적으로 산화물의 플라즈마 에칭 또는 습식 에칭(예컨대, HF)을 통해 달성된다.
(d) 원하는 경우, 매립 크로스 토크 트렌치(104)가 “핸들” 웨이퍼의 산화물로 패터닝되고 에칭될 수 있다. 이것은 통상적으로 산화물의 플라즈마 에칭 또는 습식 에칭(예컨대, HF)을 통해 달성된다.
(e) 이어서, 실리콘 “디바이스” 웨이퍼는 패터닝된 산화물 “핸들” 웨이퍼에 용융 본딩될 수 있다. 원한다면, 용융 본딩 전에 “핸들” 웨이퍼 내의 매립 트렌치(104)에 대응하도록 “디바이스” 웨이퍼가 패터닝되고 (예컨대, DRIE를 통해) 에칭되어, “핸들” 및 “디바이스” 웨이퍼의 용융 본딩이 (예컨대, 도 9b에 도시된 바와 같이) 매립 트렌치(104)를 형성하게 된다.
(f) “디바이스" 웨이퍼는 원하는 다이어프램 두께로 그라인딩되고 폴리싱될 수 있다.
(g) 다이어프램 측 트렌치(103)는 그라인딩되고 폴리싱된 웨이퍼의 다이어프램 측으로 (도 9a 및 도 9d에 도시된 바와 같이) 패터닝되고 에칭될 수 있다.
(h) 캐비티 측 트렌치(105)는 그라인딩되고 폴리싱된 웨이퍼의 캐비티 측으로 (도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이) 패터닝되고 에칭될 수 있다.
본 명세서의 교시에 기초하여 당업자는 유사한 최종 결과를 달성하기 위해 다른 프로세스가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
[실시예]
다음의 예시적인 실시예는 여기에 설명된 소프트웨어 애플리케이션, 시스템 및 방법의 실시예를 나타내며 어떤 식으로든 제한하려는 의도가 아니다.
[실시예 1 - 캐비티 측 트렌치 방위각 응답]
테스트 pMUT 웨이퍼는 캐비티로부터 트렌치의 다양한 깊이(75μm 두께 pMUT 상에서 25μm, 37.5μm, 및 50μm)와 트렌치의 스탠드오프 거리(10μm, 15μm, 20μm, 및 25μm), 및 트렌치의 폭(5 μm 및 10 μm)으로 제작되었다. 다양한 주파수에서 pMUT의 방위각 응답이 측정되었다. 도 12a 및 도 12b는 다양한 스탠드오프 및 폭에서 각각 50 μm 및 25 μm 깊이의 캐비티 측 트렌치에 대한 3.50 MHz, 3dB 시프트에서의 방위각 응답을 나타낸다. 명명 규칙 "XX-YYW"는 XX = 스탠드오프 거리 및 YY = 폭이다. 따라서, 20-05W는 캐비티로부터 20 μm 및 5 μm 폭의 트렌치이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 50 μm 깊이의 캐비티 측 트렌치에 대한 스포트라이트 각도는 트렌치 스탠드오프 거리가 증가함에 따라 더 멀리 밀어내는(push) 것처럼 보인다. 도 12b에서 도시된 바와 같이, 25μm 깊이의 캐비티 측 트렌치에 대한 스포트라이트 각도는 트렌치 스탠드오프 거리와 선형 상관관계를 갖지 않지만, 일반적인 경향은 스탠드오프 거리가 증가하면 스포트라이트 각도가 좁아지는 것이다. 크로스 토크 딥(cross-talk dip)은 3.5MHz, 특히 약 +/- 28도에서 25μm 깊이에서 20-10W(20μm 스탠드오프, 10μm 폭)에서 발생했다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 여기에 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시형태는 단지 예로서 제공된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 수많은 변형, 변경, 및 대체가 이제 본 발명을 벗어나지 않고 당업자에게 발생할 것이다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시형태에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는데 이용될 수 있음을 이해해야 한다.
Claims (34)
- 미세 가공된 초음파 트랜스듀서(micromachined ultrasonic transducer; MUT) 어레이로서,
기판; 및
복수의 MUT
를 포함하고,
상기 복수의 MUT는 상기 기판의 표면에 부착되고, 각각의 MUT는 가동 다이어프램(movable diaphragm)을 포함하고,
상기 기판은 상기 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 상기 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 트렌치를 포함하는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 MUT에서의 각각의 MUT는 pMUT인 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 MUT에서의 각각의 MUT는 cMUT인 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 기판의 표면으로부터 상기 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어지는(run) 것인, MUT 어레이. - 제4항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 기판의 전체 두께에 걸쳐 있는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 기판의 반대편 표면으로부터 상기 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어지는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 기판의 표면 아래로부터 상기 기판의 두께의 적어도 10%, 적어도 50%, 또는 적어도 90%까지 이어지는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 일정 폭을 갖는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 가변 폭을 갖는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 상기 다이어프램의 둘레로부터의 일정 거리를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 1 μm 내지 40 μm의 상기 다이어프램의 둘레로부터의 가변 거리를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 다이어프램의 둘레의 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 또는 90% 주위에 있는 것인, MUT 어레이. - 제12항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 다이어프램의 전체 둘레 주위에 있는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 복수의 MUT 중 MUT의 적어도 10%, 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 또는 적어도 90%의 상기 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있는 것인, MUT 어레이. - 제14항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 복수의 MUT 중 각각의 MUT의 상기 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 음향 감쇠 재료로 적어도 부분적으로 충전되어 있는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 MUT는 복수의 열(column) 및 복수의 행(row)으로 배열되어 있는 것인, MUT 어레이. - 제17항에 있어서,
상기 트렌치는 MUT의 행을 따라 이어지는 것인, MUT 어레이. - 제17항에 있어서,
상기 MUT의 각각의 행은 상기 MUT의 각각의 행을 따라 이어지는 트렌치를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제17항에 있어서,
상기 트렌치는 MUT의 열을 따라 이어지는 것인, MUT 어레이. - 제17항에 있어서,
상기 MUT의 각각의 열은 상기 MUT의 각각의 열을 따라 이어지는 트렌치를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제17항에 있어서,
상기 MUT의 각각의 행은 상기 MUT의 각각의 행을 따라 이어지는 제1 트렌치를 갖고, 상기 MUT의 각각의 열은 상기 MUT의 각각의 열을 따라 이어지는 제2 트렌치를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 상기 복수의 MUT 중 단일 MUT의 상기 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 MUT 중 각각의 MUT는 트렌치에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 상기 다이어프램의 둘레의 적어도 부분적으로 주위에 적어도 제2 트렌치를 더 포함하는, MUT 어레이. - 제25항에 있어서,
상기 제2 트렌치는 상기 복수의 MUT 중 단일 MUT의 상기 다이어프램의 둘레 주위에 적어도 부분적으로 있는 것인, MUT 어레이. - 제25항에 있어서,
상기 복수의 MUT의 각각의 MUT는 제1 트렌치 및 제2 트렌치에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 트렌치는 인접한 한쌍의 MUT 사이에 배치되는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 상기 복수의 MUT 중 하나 이상의 MUT의 상기 다이어프램의 둘레의 적어도 부분적으로 주위에 복수의 트렌치를 포함하는 것인, MUT 어레이. - 제29항에 있어서,
상기 기판은 상기 복수의 MUT의 MUT 당(per) 하나의 트렌치를 포함하는 것인, MUT 어레이. - 제29항에 있어서,
상기 기판은 상기 복수의 MUT의 인접한 한쌍의 MUT 당 하나의 트렌치를 포함하는 것인, MUT 어레이. - 제29항에 있어서,
상기 기판은 상기 복수의 MUT의 MUT 당 하나보다 적은 트렌치를 갖는 것인, MUT 어레이. - 제29항에 있어서,
상기 기판은 상기 복수의 MUT의 인접한 한쌍의 MUT 당 하나보다 적은 트렌치를 포함하는 것인, MUT 어레이. - 제1항에 있어서,
의료 이미징을 위해 구성되는 MUT 어레이.
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