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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구는 앞으로 기존의 압전초음파 센서를 대체하여 고효율비접촉 초음파 송수신이 가능하여 활발한 응용이 기대되고 있는 미세가공정전용량 초음파센서(cMUT)를 개발하기 위한 연구로 수행되었다. 초음파 발생 요소가 되는 개별 미소진동 막의 진동특성을 해석하고 분석하여 cMUT의 설계의 기본 자료로 활용하였다.
• 본 연구에서 개발된 cMUT 설계 및 제작 조건에서 진동막의 붕괴 전압 및 진동막의 거동 특성을 해석하기 위하여 유한요소해석을 실시하였다. 희생층 각을 위한 중심부의 hole을 고려하더라도 진동 막의 형상은 원형이기 때문에 대칭 조건을 이용하여 1/4 모델을 적용하였다.
• 본 연구에서 설계된 진동막의 공진주파수를 검토하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 그림 2의 구조를 가지는 진동막을 고려하여 유한요소 모델을 만든 다음 모달 해석을 수행하였다.
• 본 연구에서는 cMUT(capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)불리는 미세가공 정전용량 초음파 변환기를 개발하기 위한 연구를 수행하였다. cMUT는 초소형 정전용량형 진동막을 배열하여 구성한 초음파 센서로서 공기 중에서 고효율의 초음파 송수신이 가능하게 때문에 비접촉 초음파 탐상에 매우 유리하다.

가설 설정

• 그림 3은 본 연구에서의 설계사양에 따라 미소 진동 막을 유한 요소해석을 수행하기 위한 유한요소 모델을 나타내는 데 진동막의 형상은 원형으로 가정하여 모델링하였다. 이때 진동막을 지지하기 위한 post를 고려하여 유한 요소 모델을 개발하였으며 진동막의 가장자리 부분에 구속 조건을 가한 다음 모달해석을 수행하였다.

제안 방법

• cMUT에서 발생된 초음파를 수신하여 그 특성을 평가하였다. cMUT를 이루고 있는 진동막은 외부에서 공급하는 직류 바이어스와 교류 펄스 세기의 곱에 비례하여 진동하기 때문에 이 둘 중 하나의 바이어스를 증가시키면 진동막의 진동도 비례하여 커지게 된다.
• 설계사양을 고려하였다. cMUT의 진동막은 Si3N4로 제작되었으며 직경 4511m, 두께를 2000A 및 4000A의 두 종류로 하였으며 진동막과 진동막의 간격은 15mg로 하여 설계하였다. 진동막과 하부 전극 사이의 간격은 3000으로 하였으며 상부 전극은 두께는 2000의 알루미늄으로 하였다.
• 이를 바탕으로 cMUT를 설계한 후 미세반도체 제작 공정을 적용하여 실리콘 웨이퍼 위에 다양한 형태의 cMUT를 구현하였다. 개발된 cMUT의 특성을 평가하기 위하여 진동 막의 변위를 측정할 수 있는 마이켈슨 위상 변조 간섭계를 구성하였으며 cMUT 초음파 송수신 시스템을 구성하였다. 진동막의 변위 측정 결과 인가되는 교류전압의 주파수와 진동막의 진동 주파수가 잘 일치하였다.
• 스퍼터링으로 알루미늄 박막을 올린 후(2000A) 상부 전극으로서의 패턴을 형성한 후 AL-12SK 용액으로 습식 식각하였다. 그 다음 와이어본딩 전극을 형성하기 위하여 기저층으로 Ti를 300A, 그 위에 Au를 2000A 두께를 각각 전자선 진공증착하고 lift-off 패터닝하였다. 그리고 RTA (Rapid Thermal Annealing)를 600℃ 에서 10초간 실행하였다.
• 그 다음 와이어본딩 전극을 형성하기 위하여 기저층으로 Ti를 300A, 그 위에 Au를 2000A 두께를 각각 전자선 진공증착하고 lift-off 패터닝하였다. 그리고 RTA (Rapid Thermal Annealing)를 600℃ 에서 10초간 실행하였다. 그림 8은 공정 순서에 따른 소자의 단면을 보여주는 개략도 이다.
• 4pm인 진동막의 붕괴 전압이 35V이므로 de 바이어스를 작게 하여 교류전압을 인가하게 되더라도 인가되는 de 바이어스로 인하여 초기 변위가 유발된 상태에서 막이 진동하게 되어 진동막의 변위가 붕괴 변위에 근접하거나 심할 경우 capacitor 간격을 넘어서는 경우가 발생하였기 때문에 해석이 불가능할 뿐만 아니라 인가되는 교류전압의 크기가 상대적으로 매우 작아 변위 프로파일을 분석하기가 곤란하였기 때문이다. 따라서 교류 인가전압의 피크값을 15 volt로 고정하였으며 주파수는 본 연구진이 현재 보유하고 있는 초음파 장비의 특성을 고려하여 0.75 MHz로 하였다. 그림 3에 제시된 유한요소 모델에서 시간에 따른 교류전압을 인가할 수 있도록 경계 조건과 구속 조건을 재설정하였다.
• 또한 64×64(4096)개의 진동 막들의 변위를 측정하기 위해서는 미세 이동조작이 가능한 스캐닝 시스템을 제작하였으며 시스템의 제어와 측정 결과의 획득 및 저장을 위한 소프트웨어를 개발하였다. 그림 11에서 보는 바와 같은 마이켈슨 간섭계를 구성하였으며 측정된 신호로부터 진동막의 변위를 계산하였다.
• 본 연구진이 보유하고 있는 반도체 제작 공정의 여러 가지 조건을 감안하여 표 1에서와 같은 cMUT 설계사양을 고려하였다. cMUT의 진동막은 Si3N4로 제작되었으며 직경 4511m, 두께를 2000A 및 4000A의 두 종류로 하였으며 진동막과 진동막의 간격은 15mg로 하여 설계하였다.
• 상기의 그림 5와 표3의 분석 결과를 토대로 하여 진동막의 두께 0.411m인 cMUT의 교류전압 인가에 따른 진동 막의 변위를 분석하였다. 이때 제작된 cMUT의 capacitor 간격이 0.
• 411m인 cMUT의 교류전압 인가에 따른 진동 막의 변위를 분석하였다. 이때 제작된 cMUT의 capacitor 간격이 0.3μm로 매우 작으므로 de 바이어스를 인가하지 않고 교류 전압만을 인가하여 진동막의 변위를 분석하였다. 왜냐하면 Table 3에서 알 수 있듯이 두께 0.
• 그림 3은 본 연구에서의 설계사양에 따라 미소 진동 막을 유한 요소해석을 수행하기 위한 유한요소 모델을 나타내는 데 진동막의 형상은 원형으로 가정하여 모델링하였다. 이때 진동막을 지지하기 위한 post를 고려하여 유한 요소 모델을 개발하였으며 진동막의 가장자리 부분에 구속 조건을 가한 다음 모달해석을 수행하였다. 그림4는 미소 진동 막의 진동 특성을 분석하기 위한 모달 해석 결과로서 미소 진동 막의 반경이 451m, 두께 0.
• 희생층 각을 위한 중심부의 hole을 고려하더라도 진동 막의 형상은 원형이기 때문에 대칭 조건을 이용하여 1/4 모델을 적용하였다. 이렇게 함으로써, solid 모델링시 요소 및 절점의 수를 크게 줄일 수 있기 때문에 해석시간을 단축시킬 수 있으며 electrostatic force에 의한 static 해석을 수행하였다. 인가되는 직류 바이어스 전압을 10 V에서 80 V 까지 변화시키면서 발생하는 진동 막의 변위를 시뮬레이션 하였다.
• 초음파 발생 요소가 되는 개별 미소진동 막의 진동특성을 해석하고 분석하여 cMUT의 설계의 기본 자료로 활용하였다. 이를 바탕으로 cMUT를 설계한 후 미세반도체 제작 공정을 적용하여 실리콘 웨이퍼 위에 다양한 형태의 cMUT를 구현하였다. 개발된 cMUT의 특성을 평가하기 위하여 진동 막의 변위를 측정할 수 있는 마이켈슨 위상 변조 간섭계를 구성하였으며 cMUT 초음파 송수신 시스템을 구성하였다.
• 이렇게 함으로써, solid 모델링시 요소 및 절점의 수를 크게 줄일 수 있기 때문에 해석시간을 단축시킬 수 있으며 electrostatic force에 의한 static 해석을 수행하였다. 인가되는 직류 바이어스 전압을 10 V에서 80 V 까지 변화시키면서 발생하는 진동 막의 변위를 시뮬레이션 하였다. 유한요소해석 결과는 그림 5와 같으며 40V의 de 바이어스 전압에서 약 0.
• 제작된 cMUT의 특성평가를 위하여 진동막의 변위, 송수신되는 초음파 특성 등을 측정하기 위한 시스템을 구성하였다.
• 그 후하부 전극을 두 종류로 각각 형성시켰다. 첫 번째는 백금전극을 하부 전극으로 사용하기 위하여 먼저 ALD (atomizer layer deposition)장비로 Al₂O₃ 박막을 500A 증착시키고, 그 위에 Ti를 300Å 전자 선진 공증 착한 후 Pt를 2000Å 두께로 전자 선 진공 증착하였다. 두 번째는 LPCVD 장비로 P-도핑된 폴리실리콘을 500℃에서 2000Å증착시켰다.
• 초음파 발생 요소가 되는 개별 미소진동 막의 진동특성을 해석하고 분석하여 cMUT의 설계의 기본 자료로 활용하였다. 이를 바탕으로 cMUT를 설계한 후 미세반도체 제작 공정을 적용하여 실리콘 웨이퍼 위에 다양한 형태의 cMUT를 구현하였다.
• 따라서 이러한 모드해석으로부터 진동막의 공진주파수를 피하거나 아니면 특정 주파수에서 진동하도록 cMUT를 설계할 수 있게 된다. 해석에 필요한 재료의 물성 값들은 표 2의 값들을 이용하였으며 대부분의 물성값들은 관련 문헌과 자료들을 참조하여 유한요소해석에 사용하였다.
• 그, 위에 membrane 층으로서 잔류응력을 줄인 실리콘질화막을 LPCVD로 4000Å 증착하였다. 희생층을 제거하기 위하여 작은 구멍 비아 (Via) 패턴을 포토리소그래피로 형성한 후 BOE (Buffered Oxide Etch) NHFHF=6:1 를 이용해서 습식 식각하여 희생층인 실리 콘 산화막을 제거하였다. PECVD로 실리콘 산화막을 1μm증착시켜 비아를 막고(진공밀봉) 하부 전극 패턴을 포토리소그래피로 형성한 후 건식 식각으로 하부 전극을 완성하였다.

대상 데이터

• 그림 8에서와 같은 공정 순서로 cMUT 소자를 제작하였다. 소자의 제작 공정은 P형 (100) 방향의 6인치 실리콘 웨이퍼로비저항은 l-10Qcm이고 웨이퍼 두께는 650±251im인 단면 polish된 웨이퍼를 사용하였다. 먼저 초기 웨이퍼 세정 공정을 진행하였다.
• 보는 바와 같다. 제작된 cMUT는 진동 막의 개수를 6464개로 하여 간격이 15mμ일 때 대체적으로 면적이 44mm²인 1-D array cMUT로 구성되었다. 이때 전체 1-D array cMUT에서 진동막들이 차지하는 면적비는 약 0.
• 직류전압과 교류전압을 함께 인가하는 이유는 인가하는 교류전압의 주파수와 동일한 주파수의 진동을 얻기 위한 것이 가장 큰 목적이다. 직류전압의 인가는 일반 전압 공급기를 이용하였으며 교류전압을 인가하기 위해서 100kHz-12.5MHz의 tone-burst 신호를 공급할 수 있는 미국 RITEC사의 RAM10000을 사용하였다.
• cMUT의 진동막은 Si3N4로 제작되었으며 직경 4511m, 두께를 2000A 및 4000A의 두 종류로 하였으며 진동막과 진동막의 간격은 15mg로 하여 설계하였다. 진동막과 하부 전극 사이의 간격은 3000으로 하였으며 상부 전극은 두께는 2000의 알루미늄으로 하였다.

데이터처리

• 그림 3에 제시된 유한요소 모델에서 시간에 따른 교류전압을 인가할 수 있도록 경계 조건과 구속 조건을 재설정하였다. 이때인가되는 교류전압은 2주기 동안의 시간을 인가하였으며 1/4대칭 모델을 적용하여 transient 해석을 수행하였으며 그 결과는 그림 7에서 보는 바와 같다. VAC에 의한 진동막의 초기 변위를 0으로 기준을 설정한 다음 교류전압의 크기 변화에 따른 진동 막의 진동방향이 위쪽일 때를 +, 아래쪽일 때를 -로 하여 나타내었다.

이론/모형

• 먼저 초기 웨이퍼 세정 공정을 진행하였다. RCA 표준 세정방법을 이용하여 SC-1 (standard cleaning-1) 공정을 하였다. 용액 조성비는 NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:6으로 60℃에서 30분 동안 수행하고 D.

성능/효과

• 005μm로 나타났다. 따라서 15V의 교류 전압을 인가할 때 capacitor의 간격(0.3μm)에 대한 변위는 약 1%~1.7% 정도로 나타났다.
• 진동막의 변위 측정 결과 인가되는 교류전압의 주파수와 진동막의 진동 주파수가 잘 일치하였다. 또한 비접촉 방법으로 cMUT에 의해 발생되는 초음파 신호를 수신하여 수신파형의 특성을 분석한 결과 양호한 주파수 특성을 나타내었으며 고효율의 비접촉 초음파 송수신이 가능한 것으로 분석되었다. 개발된 cMUT는 향후 생체재료 및 인체에 대한 비접촉식 초음파 응용분야에 크게 활용될 것으로 기대된다.
• 분석 결과 직류 바이어스 전압이 증가함에 따라 진동막의 변위는 증가하는 것으로 나타났으며 동일한 직류 바이어스 조건에서는 진동 막의 두께가 증가함에 따라 진동막의 변위는 감소하는 것으로 분석되었다. 제작된 cMUT의 진동막 붕괴 변위와 붕괴전압을 분석한 결과 Table 5-3-3에 나타낸 바와 같이 진동막의 두께가 0.
• 제작된 광간섭계는 외부 교란이 없을 경우, 100pm 이하의 변위까지도 측정할 수 있도록 설계되었기 때문에, cMUT의 경우 표면 변위가 낮은 공급 전압에서도 수 nm 이상임을 감안 하면 충분히 cMUT의 변위를 측정할 수 있을 것으로 판단되었다. 그림 13은 cMUT에 연속적인 교류전압을 가한 상태에서 표면 변위를 측정한 결과를 나타낸다.
• 개발된 cMUT의 특성을 평가하기 위하여 진동 막의 변위를 측정할 수 있는 마이켈슨 위상 변조 간섭계를 구성하였으며 cMUT 초음파 송수신 시스템을 구성하였다. 진동막의 변위 측정 결과 인가되는 교류전압의 주파수와 진동막의 진동 주파수가 잘 일치하였다. 또한 비접촉 방법으로 cMUT에 의해 발생되는 초음파 신호를 수신하여 수신파형의 특성을 분석한 결과 양호한 주파수 특성을 나타내었으며 고효율의 비접촉 초음파 송수신이 가능한 것으로 분석되었다.

후속연구

• 또한 비접촉 방법으로 cMUT에 의해 발생되는 초음파 신호를 수신하여 수신파형의 특성을 분석한 결과 양호한 주파수 특성을 나타내었으며 고효율의 비접촉 초음파 송수신이 가능한 것으로 분석되었다. 개발된 cMUT는 향후 생체재료 및 인체에 대한 비접촉식 초음파 응용분야에 크게 활용될 것으로 기대된다.

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