WO2020101425A1 - 원심 패턴 충진 장치 및 이를 이용한 초음파 압전 센서의 제조 방법, 그리고 이러한 방법으로 제조된 초음파 압전 센서 혹은 초음파 인식 센서 - Google Patents

원심 패턴 충진 장치 및 이를 이용한 초음파 압전 센서의 제조 방법, 그리고 이러한 방법으로 제조된 초음파 압전 센서 혹은 초음파 인식 센서 Download PDF

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pattern
ultrasonic
jig
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방창혁
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주식회사 베프스
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/077—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an ultrasonic piezoelectric sensor used in an ultrasonic fingerprint recognition sensor, and by manufacturing a piezoelectric rod using a centrifugal pattern filling device, it is simpler and more effective than the conventional method of manufacturing a piezoelectric rod. In addition to performing the process, it is possible to significantly reduce the defect rate of the piezoelectric rod that may occur during the manufacturing process, thereby improving production yield and manufacturing process efficiency.
  • ultrasound refers to a sound wave (about 20 to 1000 kHz) in which a human being cannot hear using hearing because the frequency is greater than about 20 kHz, which is the human audible frequency range, and is similar in nature to sound waves in the audible range.
  • the frequency is high and the wavelength is short, a fairly strong vibration is generated, and thus, it has a short pulse property with a directionality not seen in general sound waves.
  • the ultrasonic sensor using the characteristics of the above-described ultrasonic waves generates ultrasonic waves to the outside, and the generated ultrasonic waves collide with the object to receive the reflected wave and return the distance from the object to be detected or the motion, shape, or shape of the object to be detected. It is used as a detection sensor for low sound pressure to sense, or used for high sound pressure in ultrasonic welding machines and ultrasonic cleaners.
  • the ultrasonic sensor is largely composed of an ultrasonic transmission / reception unit, a driving unit, and mechanism parts.
  • the ultrasonic transmitting and receiving unit generates an ultrasonic wave by receiving an AC voltage from the driving unit, receives the reflected wave corresponding to the generated ultrasonic wave, and transmits the reflected wave to the driving unit.
  • the main components of the ultrasonic transmission / reception unit are a substrate and a piezoelectric element.
  • a reverse piezoelectric occurs in which crystals (piezoelectric materials) repeatedly compress and expand to generate mechanical vibration.
  • crystals piezoelectric materials
  • a positive (+) charge is generated on one side of the piezoelectric element 150 and a negative (-) charge is generated on the other side to generate a current.
  • the ultrasonic sensor When the ultrasonic sensor generates ultrasonic waves, an alternating current is applied from the outside to the piezoelectric element, and the piezoelectric element contracts and expands repeatedly. The vibration generated thereby is transmitted to the cover substrate, and the vibration of the cover substrate generates small waves in the air to generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave generated by the ultrasonic sensor is reflected and returned to the object, the small wave in the air is transmitted to the cover substrate to generate displacement, and the reflected wave can be received by contraction and expansion of the piezoelectric element due to the displacement.
  • Ultrasonic sensors that detect the distance from the object to be detected or the motion, shape, or shape of the object to be detected are widely used in various fields, among them, portable or personal to maintain reliable security of personal information. It is used in a security system that detects and decrypts a specific signal so that each individual identity can be verified in-situ where information is needed, and among them, it can be used in a device for personal authentication by recognizing biometric information of an individual.
  • an ultrasonic sensor as described above may be used for personal authentication by recognizing a fingerprint among biometric information, and in the case of such a fingerprint recognition sensor of the ultrasonic method, ultrasonic signals of a certain frequency emitted from a plurality of piezoelectric sensors are used for the bone of the fingerprint ( In the case of reflection from the valley and ridge, the difference in acoustic impedance in each valley and ridge is measured by using a plurality of corresponding piezoelectric sensors that generate ultrasonic waves to detect fingerprints. Since it has a function to grasp the blood flow inside a finger by generating ultrasonic waves in a pulse form and detecting the Doppler effect caused by the echo, there is an advantage that it can be used to determine whether or not it is a fake fingerprint.
  • the present invention places the slurry containing the piezoelectric material together with the mold in a sealed jig under pressure, and then fills the piezoelectric material contained in the slurry into the pattern formed in the mold through centrifugal force.
  • the defect rate of the manufactured piezoelectric rod is significantly reduced to improve the quality of the piezoelectric sensor manufacturing method and the piezoelectric sensor manufactured accordingly, and the ultrasonic sensor including the same.
  • the present invention places the slurry containing the piezoelectric material together with the mold in a sealed jig under pressure, and then fills the piezoelectric material contained in the slurry into the pattern formed in the mold through centrifugal force.
  • ultrasonic fingerprints manufactured through a subsequent process are supported by supporting the piezoelectric rods having a long aspect ratio so as not to collapse. It is intended to minimize the defect rate of the recognition sensor.
  • One embodiment 10A of the centrifugal pattern filling apparatus 10 includes: a main body 1 formed of a circumferential hollow structure; A rotating motor (2) located under the main body and mechanically connected to the main body; Jig (3) is fixed to the surface of the inner peripheral surface of the main body (4); And a nozzle portion 7A having a cylindrical shape in which a plurality of holes 7B are formed in a central portion of the main body.
  • the jig 3 includes a bottom portion to which the mold 100 on which the pattern is formed is fixed, and the main body 1 rotates by rotation of the rotating motor 2, while the piezoelectric material from the nozzle portion 7A is rotated. It characterized in that the slurry 152 containing 151 is sprayed radially, so that the piezoelectric material 151 contained in the slurry is filled into the pattern of the mold 100 fixed to the jig 3.
  • the plurality of holes 7B is formed at an interval of about 10 ° on the outer circumferential surface of the cylindrical nozzle part 7A, and it is preferable that the holes 7B are spaced in a range of about 2 to 5 mm.
  • centrifugal pattern filling apparatus 10 As another form of the centrifugal pattern filling apparatus 10 according to the present invention, as described above, unlike the case where the rotation axis of the torso is perpendicular to the direction of gravity (10A), the rotation axis is perpendicular to the direction of gravity with a structure similar to a drum washing machine Thereby, the centrifugal pattern filling apparatus 10B in which a body is rotated horizontally is mentioned.
  • the main body 1 formed of a hollow structure;
  • a rotating motor (2) located under the main body and mechanically connected to the main body;
  • the jig 3 used at this time includes a lid part 6, a body part 8, and a bottom part 9, which can be combined with each other to form a sealed interior, and the mold 100 with a pattern is formed.
  • a spacer member 5A is located, and as the main body 1 rotates by rotation of the rotating motor 2, centrifugal force and pressure are adjusted. Characterized in that the piezoelectric material 151 contained in the slurry 152 is filled into the pattern of the mold 100 positioned at the bottom 9 of the jig 3 due to the pressure caused by the means 5. .
  • a load regulating valve 5D and / or a load cell 5B located above the spacer member 5A formed in the lid portion 6 may be used.
  • a sealing member 5C such as an O-ring, is located, and it is preferable to limit the slurry 152 to be located below the load cell 5B even inside the jig 3 when rotating.
  • the spacer member 5A is made of a foam having a porous structure, and the slurry 152 is filled therein, and it is more preferable to uniformly distribute pressure applied to the mold 100. Any one or more selected from the group consisting of polystyrene, foamed polyurethane, foamed polypropylene, phenol resin foam, foamed polyethylene terephthalate, foamed silicone, and foamed polyvinyl chloride may be used.
  • the piezoelectric material 151 included in the slurry 152 used in the centrifugal pattern filling apparatus according to the present invention includes PZT (PbZrTiO 3 ) based compound, PST (Pb (Sc, Ta) O 3 based compound, quartz, ( Pb, Sm) TiO 3 based compound, PMN (Pb (MgNb) O 3 -PT (PbTiO 3 ) based compound, PVDF (Poly (vinylidene fluoride)) based compound and PVDF-TrFe based alloy) It is preferred that it is one or more.
  • the mold 100 includes a pattern formed by etching the substrate, but the pattern of the mold 100 includes a base 100b, an edge portion 100a, a pillar portion 100c, and a plurality of holes 100d.
  • the material of the substrate single crystal silicon, SiO2, SiN, SOI, aluminum nitride (AIN), aluminum oxide (AL2O3), polydimethylsiloxane (PDMS), SU8, polyimide (PI), and the like can be used.
  • a method of manufacturing an ultrasonic piezoelectric sensor may be etched, including a base 100b, an edge portion 100a, a pillar portion 100c, and a plurality of holes 100d by etching a silicon substrate.
  • Step includes.
  • the piezoelectric material 151 contained in the slurry 152 is centrifugally applied to the pattern of the mold 100 using any one of the centrifugal pattern filling devices 10 described above. It is preferable to fill the inside.
  • the forming of the piezoelectric rods 155 may include fixing the mold 100 having a pattern formed on the inner bottom portion 9 of the jig 3; Supplying a slurry containing the piezoelectric material 151 to the inside of the jig 3; Increasing the pressure inside the jig using the pressure adjusting means 5 formed on the lid part 6; Rotating motor (2) is operated, rotating the main body (1) comprising a mounting portion (4) is fixed jig (3); And heating the mold 100 to sinter the piezoelectric material 151.
  • the pressure inside the jig in the range of about 3 to 20 kPa using the pressure adjusting means 5, and after the step of manufacturing the ultrasonic piezoelectric sensor array, a plurality of arranged in the same row on the ultrasonic piezoelectric sensor array It may further include a; Polling (Poling treatment) step of placing a polarizing electrode coated with a conductive metal on each of the upper electrode and the lower electrode of the piezoelectric element, and simultaneously applying a voltage.
  • Polling Policy treatment
  • the ultrasonic piezoelectric sensor manufactured by the method of manufacturing the ultrasonic piezoelectric sensor according to the present invention and the ultrasonic fingerprint sensor including the ultrasonic piezoelectric sensor are also included within the scope of the present invention.
  • a piezoelectric rod in the process of forming a piezoelectric rod using a slurry containing a piezoelectric material, a piezoelectric rod can be manufactured in a simpler manner by simultaneously performing an injection process and a pressing process using a centrifugal pattern filling device, and During the process of patterning the rod, by etching the silicon mold in multiple stages, a defective rate of the manufactured piezoelectric rod can be significantly reduced to produce a piezoelectric sensor with improved production yield.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a piezoelectric sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic view schematically showing a process of manufacturing a piezoelectric rod using a centrifugal pattern filling apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view schematically showing a mold flattened through a flattening process after forming a conductive filler during the manufacturing process of the piezoelectric sensor of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view schematically showing a mold etched through an etching step in the manufacturing process of the piezoelectric sensor of the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 are schematic views schematically showing a flattened state by removing a portion of the insulating layer through a planarization process before forming a lower electrode during the manufacturing process of the piezoelectric sensor of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view schematically showing a wafer manufactured according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic view schematically showing a manufacturing process of a piezoelectric rod formed on a substrate manufactured according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 schematically illustrates a polling step of polarizing a piezoelectric sensor array according to the present invention using a polarizing electrode.
  • 11 is an SEM image of a piezoelectric rod manufactured by a conventional liquid injection method.
  • FIG. 12 is an SEM image of a piezoelectric rod manufactured using a centrifugal pattern filling apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an SEM image of a piezoelectric rod manufactured using a centrifugal pattern filling apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • main body 2 rotary motor
  • Via area 132 Conductive filler
  • the present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric sensor, and a substrate 100 is etched to form a mold 100 including a base 100b, an edge portion 100a, a pillar portion 100c, and a plurality of holes 100d.
  • single crystal silicon SiO2, SiN, SOI, aluminum nitride (AIN), aluminum oxide (AL2O3), polydimethylsiloxane (PDMS), SU8, polyimide (PI), or the like can be used.
  • AIN aluminum nitride
  • AL2O3 aluminum oxide
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • PI polyimide
  • the step of manufacturing the piezoelectric rod 155 of the present invention is formed mold
  • the piezoelectric material 151 may be filled in the 100, but in the present invention, as shown in FIG. 3A, a centrifugal pattern filling device 10A that simultaneously uses a spray jet and a centrifugal force according to the rotation of the main body 1 may be used. have.
  • the slurry 152 and the mold 100 are placed inside the jig 3, and the body 1 is rotated through a rotation axis perpendicular to the direction of gravity, similar to the rotation method of the drum washing machine.
  • the piezoelectric material 151 is filled into the patterned mold while simultaneously applying pressure.
  • each piezoelectric material 151 will be described in more detail.
  • the jig 3 is mounted on the mounting portion 4 formed on the inner circumferential surface of the main body 1 ).
  • the jig 3 is formed with a bottom portion so that the mold 100 on which the pattern is formed is fixed, so that the mold 100 can be stably fixed to the inner circumferential surface of the body 1 even when the body 1 rotates. Can be.
  • the opening of the pattern formed on the mold 100 is positioned to face the center of the body 1, and then the piezoelectric material 151
  • the slurry 152 included at a concentration of about 25 wt% is continuously supplied to the cylindrical nozzle portion 7A formed at the center of the body 1.
  • the main body 1 is rotated by a rotating motor 2 mechanically or physically connected to the lower portion, and the slurry 152 supplied to the nozzle portion 7A is mold 100 by a plurality of holes 7B. It is discharged to the opening of the pattern formed in, the plurality of holes (7B) is preferably formed at intervals of about 10 ° on the outer circumferential surface of the cylindrical nozzle portion (7A), between the formed holes (7B) is about 2 It is preferred to be spaced in the range of ⁇ 5 mm.
  • a part of the discharged slurry is introduced into the pattern of the mold 100, and the piezoelectric material 151 is accumulated inside the pattern.
  • the piezoelectric material 151 accumulated inside the pattern is filled deeply into the pattern by centrifugal force, thereby filling the pattern inside more tightly.
  • the rotation speed of the main body 1 will vary depending on the diameter of the main body, such as about 3,000 to 8,000 rpm, but when converted to g-force, centrifugal force is applied in the range of about 10 to 5,000 G, and the filling density of the piezoelectric material within the pattern Can increase.
  • both a polar solvent such as water or a non-polar solvent such as alcohols can be used, but it is preferable to use water as a polar solvent.
  • the slurry can be supplied in a continuous process, the pattern of the mold can be filled, and the slurry that is spray-sprayed and remains in the bottom portion of the body 1 also
  • centrifugal pattern filling apparatus 10B capable of improving the degree of pattern filling of the piezoelectric material by applying an additional force in addition to the centrifugal force is presented on the right side of FIG. 3A.
  • the rotational axis of the main body 1 is arranged in a direction perpendicular to gravity, and a drum rotation method is employed.
  • the mounting portion 4 located on the inner circumferential surface of the main body 1 is sealed.
  • the jig 3 forming the inside is fixed.
  • the mounting portion 4 is shown in a pair in a position symmetrically inside the body 1 in the drawing, it is also possible to form a plurality of pairs while maintaining a symmetrical position as necessary.
  • the jig 3 includes a bottom portion 9 to which the lid portion 6, the body portion 8, and the mold 100 on which the pattern is formed are fixed, so as to be combined to form a closed interior space, It is preferable that the lid part 6, the bottom part 9, and the body part 8 are formed in a structure in which the mold 100 is easily mounted, detached, and internally cleaned.
  • the body portion 8 and the bottom portion 9 are combined, and the slurry 152 including the piezoelectric material 151 is jig 3 ) Inside.
  • the amount of the slurry 152 supplied is sufficient as long as the mold 100 fixed to the bottom 9 can be locked by the slurry 152, but preferably, the spacer member 5A described later can be locked. It is preferable to fill the inside of the jig 3 by supplying in the amount of.
  • the spacer member 5A is positioned above the mold and the load cell 5B is positioned above the spacer member 5A to protect the patterned mold 100.
  • the spacer member 5A is to prevent physical damage from being temporarily applied to the pattern-formed mold 100, and a foam material having a porous structure is used.
  • a foam material having a porous structure is used.
  • any one or more selected from the group consisting of expanded polyethylene, expanded polystyrene, expanded polyurethane, expanded polypropylene, expanded phenolic resin foam, expanded polyethylene terephthalate, expanded silicone, and expanded polyvinyl chloride may be used.
  • the slurry 152 permeates inside the spacer member 5A, and when the main body 1 rotates, the slurry moves toward the mold 100 located below the spacer member 5A, and the pattern formed in the mold
  • the piezoelectric material 151 is supplied to the inside of the.
  • the load cell 5B which is one of the pressure regulating means 5, may be located above the spacer member 5A, and the centrifugal force due to the rotation of the main body 1 may be obtained by the weight of the load cell 5B. Since it can be further increased, the piezoelectric material 151 included in the slurry 152 can be more effectively moved and densely filled into the pattern inside the mold.
  • a sealing member 5C such as an O-ring, is located, so that even when the body 1 is rotated, the slurry 152 loads the load cell 5B from the inside of the jig 3. ), It is preferable to limit the movement of the slurry so that it can move into the pattern of the mold 100 through the spacer member 5A.
  • a pressure regulating valve 5D is added to the lid 6 of the jig 3 to separately inert gas such as air or nitrogen gas from the outside. It may be injected to increase the pressure inside the jig (3).
  • the load cell 5B and the pressure regulating valve 5D can be selectively or simultaneously applied, and by applying additional pressure simultaneously with centrifugal force, the piezoelectric material contained in the slurry can be filled into the pattern more effectively.
  • the pressure inside the jig 3 through the pressure regulating means 5 in the range of about 3 to 20 MPa, which means that the piezoelectric material 151 contained in the slurry filled in the jig 3 rotates.
  • the main body 1 rotates at a high speed by the rotation of the motor 2, when it is forcibly settled and filled into a plurality of holes 100d of the pattern formed in the mold 100 by centrifugal force, it is more robust and dense. This is to apply additional pressure to maintain the (dense) form.
  • the piezoelectric material 151 contained in the slurry into the pattern of the mold 100 located on the bottom surface inside the jig 3 by centrifugal force This is filled, it is preferable to control the internal pressure of the jig 3 in order to further increase the density filled in the inside of the jig 3 and to compact the piezoelectric material 151, and the operation of the centrifugal pattern filling device 10 is performed. After the operation, the pressure regulating means 5 is operated to change the internal pressure back to normal pressure, and then the mold 100 filled with the piezoelectric material 151 is taken out in the reverse order to the above-described process.
  • the sintering step of sintering the piezoelectric material by heating the mold 100 subjected to the filling and pressurization process may include a sintering step, but a separate device may be used, but the centrifugal pattern filling device 10 described above may be used. It is also possible to undergo a sintering process by an installed heating member (not shown separately in the drawing).
  • the density of the piezoelectric rod 155 is uniformly improved, and the defect rate of the piezoelectric rod 155 obtained thereby is remarkably improved. It can be lowered, and the production yield of the piezoelectric sensor 200 finally obtained can be improved.
  • the step of forming the mold 100 including the base 100b, the edge portion 100a, the pillar portion 100c, and the plurality of holes 100d by etching the silicon substrate is performed through silicon through a photolithography method.
  • a mold 100 may be formed by etching a substrate such as a substrate.
  • the photolithography is a method in which a desired circuit design is copied by copying a shadow generated by irradiating light onto a substrate called a mask formed of a metal pattern on a glass plate onto a substrate, thereby forming a pattern of a predetermined shape designed on the substrate It is one of the ways.
  • Such a photolithography method includes a coating process of uniformly applying a photosensitive agent composition to the surface of a substrate, a soft baking process in which a photosensitive film is attached to the surface of a substrate by evaporating a solvent from the applied photosensitive film, and soft ultraviolet light.
  • the exposure process (Light exposure) to transfer the pattern of the mask onto the photosensitive film by repeatedly projecting the circuit pattern on the mask repeatedly and sequentially by using a light source such as light, and the difference in solubility according to the light through exposure to the light source.
  • Etching to etch a certain area according to the pattern (etching) and the stripping process to remove the remaining photosensitive film after the etching process (Strip), etc. may be performed.
  • the photosensitive agent composition applied to the surface of the substrate in the coating process is a medium for transferring the circuit design of the mask disk onto the substrate through an exposure process, and the solubility in the developer changes when the photosensitive agent composition is exposed to light of a specific wavelength. It has characteristics.
  • a pattern having a desired shape may be formed on a substrate through an etching process of selectively removing portions exposed to light and portions not exposed during the development process of photolithography.
  • the method of forming the mold 100 first a) to form a photoresist (Photo resist) on the prepared substrate.
  • a photoresist Photo resist
  • the substrate used at this time can be used without particular limitation as long as it can be used in a semiconductor process.
  • silicon single crystal, SiO2, SiN, silicon-on-insulator (SOI), aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al2O3) , Polydimethylsiloxane (PDMS), SU8, polyimide (PI), germanium (Ge), gallium-Phosphorus, gallium-arsenic, etc. can be used, but preferably A silicon wafer having a diameter of 4 inches, 6 inches, 8 inches, or 12 inches in a round shape can be used as a substrate.
  • the photoresist is a material having a photosensitive characteristic, and can be used that is commonly used in photolithography methods.
  • one of spin coating, spray coating, and dip coating may be used.
  • a photoresist after forming a photoresist on the substrate, a photoresist can be stably formed on the substrate by partially removing a solvent in the photoresist through a post applied bake (PAB).
  • PAB post applied bake
  • the photoresist is removed according to the pattern through an exposure / development process. That is, a photoresist in a region without a mask pattern can be removed by aligning a glass substrate with a predetermined pattern of a mask pattern on the substrate to concentrate the photoresist. At this time, the photoresist in the region without the mask pattern is removed by the exposure / development process, and the photoresist in the region where the mask pattern is present remains on the substrate.
  • a portion in which the photoresist is removed from the portion formed on the substrate is formed through an etching process.
  • the etching process may be generally divided into a wet etching method and a dry etching method.
  • the wet etching method may form a groove on the substrate by chemically reacting with the surface of the portion where the photoresist on the substrate is removed using a chemical solution. Since the wet etching method is generally isotropic etching, undercut occurs, and it is difficult to form an accurate pattern. In addition, since the process control is difficult, the line width that can be etched is limited, and there is a disadvantage in that it is difficult to process an additionally generated etching solution, a dry etching method can be mainly used to compensate for the disadvantages of the wet etching method. It is not necessarily limited to the dry etching method.
  • the dry etching method may inject a reaction gas into a vacuum chamber and then apply electric power to form a plasma. Through this, a portion of the photoresist removed on the substrate may be etched by chemically or physically reacting with the surface of the substrate.
  • an etching process may be performed through a dry etching method.
  • a photoresist remaining on the substrate may be completely removed to form a mold.
  • the mold 100 manufactured through the step of forming the mold, excluding the base portion 100b which is a bottom portion, a plurality of holes 100d formed by etching, a pillar portion 100c that is a portion between the hole and the hole, excluding the pillar portion It may include the edge portion (100a) that is the rest of the mold.
  • the piezoelectric material 151 may be filled in a plurality of holes 100d formed in the mold to form the piezoelectric rod 155.
  • the piezoelectric rod 155 is formed in a square column shape by forming a horizontal cross section of a plurality of holes, but the horizontal cross sections of the plurality of holes are not necessarily limited to a square column shape.
  • the shape of a rectangle, a circle, a trapezoid, a rhombus, a polygon, etc. is not particularly limited, and may be formed in various shapes, and the piezoelectric rod manufactured through this may also be formed in a column shape having various types of horizontal cross-sections.
  • the slurry 152 including the piezoelectric material 151 is supplied onto the mold 100, and the centrifugal filling filling the piezoelectric material in the plurality of holes 100d through the centrifugal force
  • a pressing step of condensing the piezoelectric material 151 in a plurality of holes may be performed simultaneously, and optionally added to the inside of the centrifugal pattern filling apparatus 10 as necessary. It is possible to simultaneously or sequentially perform a sintering step of sintering the piezoelectric material by heating the mold using a heating member formed of.
  • the piezoelectric rod 155 included in the piezoelectric sensor of the present invention is made of a piezoelectric material 151, or by including a piezoelectric material 151, generates a ultrasonic wave or receives ultrasonic waves when a voltage is applied through electrodes to be described later. To generate a current.
  • the piezoelectric rod when an AC voltage having a resonant frequency of an ultrasonic band in which the piezoelectric material can vibrate is applied to the piezoelectric rod in the piezoelectric sensor, the piezoelectric rod may vibrate up and down, left and right, and thus the piezoelectric rod is up, down, left and right.
  • an ultrasonic signal having a predetermined frequency can be generated.
  • the piezoelectric material in the piezoelectric rod must be densely formed, and the shape of the piezoelectric rod to be manufactured is not damaged. It should be complete, and it is preferable that holes, voids, air vents, bubbles, air gaps, etc. are not formed in the piezoelectric rod.
  • the insulating film is conformally deposited in the form of a liner in a mold having a plurality of holes, and then formed by injecting a piezoelectric material can do.
  • silicon dioxide, silicon nitride, and aluminum dioxide may be used as the insulating film used.
  • the insulating film deposition method may be formed by vapor deposition through physical vapor deposition or chemical vapor deposition. Meanwhile, as a physical vapor deposition method, sputtering or electron beam deposition may be used.
  • a piezoelectric material is injected, and a conventional piezoelectric material is injected and pressed using a flat pressing plate from above so that the etched portion does not have a gap, for example Jenopik's
  • the piezoelectric material can be injected using a hot embossing device such as HEX04, but the present invention was completed by finding that it is preferable to use the centrifugal pattern filling device 10 described in detail above.
  • a piezoelectric rod When a piezoelectric rod is manufactured by injecting a piezoelectric material using an existing pressing plate, the piezoelectric material is not sufficiently homogeneously and densely injected into each hole, thereby causing holes, voids, and air vents between the filled piezoelectric materials. , Bubbles, air gaps are formed to form a defective piezoelectric rod.
  • the piezoelectric material 151 in the form of fine particles is used by centrifugal force on the mold. While filling, the inside of the jig 3 is pressed in a pressure range of about 3 to 20 MPa, thereby filling the piezoelectric material 151 in a plurality of holes 100d in the mold 100 to form a piezoelectric rod 155 can do.
  • the piezoelectric material 151 used is PZT (PbZrO 3 ) based compound, PST (Pb (Sc, Ta) O 3 based compound, quartz, (Pb, Sm) TiO 3 based compound, PMN (Pb (MgNb) O) 3 -PT (PbTiO 3) based compound can be used, PVDF (Poly (vinylidene fluoride) ) compound and at least one or more selected from the group consisting of PVDF-TrFe compound.
  • the pressurizing step may be performed by supplying high pressure air or inert gas such as nitrogen through a pressure valve into the sealed jig 3, or by using a separate load cell.
  • a pressure of about 3 to 20 kPa under an inert atmosphere of nitrogen gas the filled piezoelectric material in a plurality of holes is densely filled, and air formed between the filled piezoelectric material is removed, thereby causing air vents.
  • Bubbles or air gaps, or the like can be prevented from forming pores and bubbles in the piezoelectric rod.
  • the density of the piezoelectric material filled in the plurality of holes can be improved by densely filling the piezoelectric material filled in the plurality of holes through the pressurization conditions, and through this, the piezoelectric rod shrinks in the sintering step of a subsequent process. By reducing and minimizing, it is possible to significantly lower the defective rate of the piezoelectric rod.
  • the piezoelectric rod When the piezoelectric material is completely filled in a plurality of holes in the mold, the piezoelectric rod may be manufactured through a sintering step of sintering the piezoelectric material by heating the mold.
  • This sintering step is to heat the sintered piezoelectric material filled in a plurality of holes to a temperature range of the sintering point of the piezoelectric material to solidify by bonding between particles of the piezoelectric material.
  • the mold filled with the PZT is heated at a temperature of 850 to 1,000 ° C. for 15 to 40 minutes to sinter the PZT to produce a piezoelectric rod.
  • the present invention when forming the piezoelectric rod, by filling the piezoelectric material inside a plurality of holes, it is possible to sinter the piezoelectric material at a temperature lower than the sintering point (Sintering point) of the piezoelectric material used in the sintering step .
  • the sintering point of PZT is generally known to be approximately 1,200 ° C, but in the sintering step of the present invention, PZT is heated at a lower temperature of 850 to 1,000 ° C for 15 to 40 minutes. Sintering can produce a piezoelectric rod.
  • the present invention after the step of manufacturing the piezoelectric rod to connect circuit patterns formed on different layers in the piezoelectric sensor, etching the via region 131 on the edge portion 100a of the mold; And manufacturing a conductive filler 132 by filling a conductive material in the via region 131.
  • a hole called a via hole may be formed, and then a connection structure such as wire bonding may be formed through the via hole.
  • the via hole formed through this method is not smooth in shape, and a physical shock is applied to the substrate or mold during the formation of the via hole, and thus the substrate or piezoelectric rod may be damaged. Due to this, the product yield and quality of the piezoelectric sensor may be deteriorated.
  • a via region is etched on the edge portion 100a of the mold on which the piezoelectric rod is not formed, and then a conductive material is formed in the via region, after the piezoelectric rod is manufactured and the etching step is performed in order to solve this problem.
  • Filling can form a conductive filler.
  • the conductive filler formed at this time can connect the lower electrode and the upper electrode manufactured by a subsequent process to each other.
  • the via region is preferably a first via region 131 formed in a predetermined region of a side surface of a pattern in which a plurality of piezoelectric rods are formed. Additionally, a second via region for forming a falling electrode for activating by applying a high voltage to a plurality of piezoelectric rods may be further included, and the second via region is formed by facing each other in an outer portion of the mold. It may include one via region 181a and / or a second-2 via region 181b (see FIG. 9).
  • the method of etching the via region may be used without limitation as long as it is a method of etching a non-resistive silicon or forming a hole.
  • a photolithography process used to form a plurality of holes in the above-mentioned mold forming step is used. It is desirable to do.
  • the first via region 131 is formed to electrically connect the upper electrode and the lower electrode in the manufactured piezoelectric sensor of the present invention.
  • the first via region in a predetermined area outside the edge portion 100a, which is a side portion in a column direction or a row direction in which the plurality of piezoelectric rods are arranged, 131) may be formed.
  • the second via regions 181a and 181b may be respectively formed at positions facing each other of the outer portions of the mold edge portion 100a so that a polling electrode for activating the piezoelectric rod is formed.
  • the via region may be filled with a conductive material to form a conductive filler 132.
  • the conductive material used at this time is not limited as long as it is a conductive material commonly used in a semiconductor manufacturing process, and can be used.
  • a metallic material, a silicon-based conductive material, a carbon-based conductive material, etc. can be used, and more preferably May be a silicon-based conductive material, conductive silicon may be used.
  • the conductive filler 132 may be formed by filling a conductive material in a first via region formed in a side portion in a column direction in which a plurality of piezoelectric rods formed in a matrix are arranged. In order to electrically communicate with the upper electrode and the lower electrode formed in the, it is preferable to be formed deeper than the piezoelectric rod 155 mentioned above.
  • the unnecessary portion may be removed together with the pillar portion 100c and the edge portion 100a of the mold through a photolithography process in an etching step.
  • the piezoelectric rod 155 and the conductive filler 132 in the mold After forming the piezoelectric rod 155 and the conductive filler 132 in the mold as described above, it can be flattened such that one side of the pillar of the mold is completely exposed through a planarization process as shown in FIG. 3C.
  • the planarization process can be used without limitation as long as it can be planarized by etching a surface during a semiconductor process, but preferably, a chemical mechanical planarization (CMP) method can be used.
  • CMP chemical mechanical planarization
  • a conductive filler 132 is formed by filling a conductive material in a first via region formed in a side portion in a column direction in which a plurality of piezoelectric rods formed in a matrix are arranged. Then, as shown in the first picture of FIG. 3C, it can be planarized until one side of the pillar part 100c of the mold is exposed through the planarization process.
  • the flattened mold may etch a portion of the pillar portion 100c, the edge portion 100a, and the conductive filler 132 of the mold as in the second step of FIG. 4.
  • a part to be etched may be removed through an exposure / development process, a baking process, an etching process, a strip process, and the like.
  • a part of the conductive filler formed on the column line or row line line in which the pillar portion 100c in the mold is formed is etched and removed to form a square pillar-shaped conductive filler 132a like a piezoelectric rod. Can be.
  • the piezoelectric rod 155 is not etched on the base 100b of the mold.
  • the remaining conductive fillers 132a and 132b may be formed to protrude (Fig. 5 and Fig. 6 palmjo).
  • the pillar part 100c and the edge part 100a of the mold and a part of the conductive filler 132 are etched, but the base part 100b of the mold remains to fix the piezoelectric rod 155 Do.
  • the thickness of the base portion 100b of the mold remaining in the etching step is Do
  • the depth at which the piezoelectric rods 155 penetrate into the base portion 100b is D1
  • the conductive filler 132 is the When the depth penetrated into the base portion 100b is referred to as D2, it is preferable to form respective thicknesses and depths so that the following equation (1) is established (see FIG. 4).
  • the thickness (Do) of the base portion 100b, the depth D1 in which the piezoelectric rods 155 penetrate into the base portion 100b and the conductive filler 132 are the base portion so that Equation 1 is established.
  • the etching step is performed at least two times, as described above, by performing the etching step in multiple steps so that the base portion 100b of the mold partially remains. , Each.
  • the piezoelectric rods 155 may be fixed to the base portion 100b of the mold and effectively prevent the piezoelectric rods 155 from collapsing or overlapping each other during the process of forming the insulating material 120 to be described later.
  • the conductive filler 132 may also be fixed to the base portion 100b of the mold in the same manner as the piezoelectric rods 155, thereby minimizing the occurrence of defect rates.
  • the conductive filler 132a 132b remaining without etching can be electrically connected to the lower electrode and the upper electrode formed in a subsequent process, it penetrates relatively deeply into the base portion 100b of the mold compared to the piezoelectric rods 155. It is preferably formed as possible.
  • the conductive fillers 132, 132a, 132b it is not necessary to additionally form a connection structure such as wire bonding in the piezoelectric element.
  • an additional process for forming a hole for such a connection structure is not required, physical damage can be prevented by minimizing the impact on the manufacturing process, thereby significantly improving the production yield of the piezoelectric sensor.
  • the piezoelectric rod 155 between the insulating materials 120 is filled by filling the insulating material 120 in a portion of the pillar part 100c, the edge part 100a, and / or the conductive filler etched through the etching step. ) And conductive fillers 132, 132a, and 132b can be formed.
  • the insulating material 120 vibrates up and down when an alternating current is applied to the piezoelectric rod, so that generated ultrasonic waves do not affect each other between the piezoelectric rods and the piezoelectric rods.
  • the insulating material can be used without being limited as long as it is a material for insulating current, but preferably, an epoxy resin can be used.
  • the insulating material 120 in the mold can be planarized by etching through a planarization process until one side of the hidden piezoelectric rod and the conductive filler is completely exposed.
  • the conductive filler formed in the first via region is etched through the etching step, and the rectangular pillar-shaped conductive fillers 132a or rectangular conductive fillers 132b are respectively formed. After formation, it shows an example formed by filling an etched portion with an insulating material.
  • the second via region is filled with a conductive filler (132) in the form formed
  • the insulating material 120 may be filled.
  • FIG. 6 to 7 illustrate some of various examples of piezoelectric rods and conductive fillers formed in the mold of the present invention, and various pattern structures are formed through a suitable patterning process according to various embodiments and uses of piezoelectric sensors to be manufactured. Various modifications can be made to have it.
  • the lower electrode 171 may be formed in a predetermined pattern on the exposed surface of one side of the piezoelectric rod 155 by being planarized.
  • forming the lower electrode 171 may include depositing a conductive material on one side of the exposed piezoelectric rod; And forming a lower electrode 171 by etching a conductive material in a predetermined pattern.
  • the conductive material used is not limited as long as it has a conductive property and can be used, for example, a compound containing any one selected from the group consisting of copper, aluminum, gold, silver, nickel, tin, zinc and alloys thereof. Can be used.
  • the step of forming the lower electrode 171 may be performed by firstly 1) uniformly depositing a conductive material through a sputtering process on a surface on which one side of the piezoelectric rod 155 is exposed through planarization. To form. After the photoresist is applied to the formed metal layer, a portion of the photoresist is removed by exposure according to a predetermined mask pattern, and then the metal layer of the portion of the photoresist removed is etched. 2) After etching, if all the remaining photoresist is removed, the remaining metal layer without etching becomes the lower electrode 171.
  • the structure is formed so that the upper electrode 172 can be formed. It is desirable to turn over.
  • the step of manufacturing the piezoelectric sensor array by forming the upper electrode 172 in a predetermined pattern on the other side of the exposed piezoelectric rod by removing the base portion 100b of the mold to which the dummy substrate is adhered is 1) an inverted structure. After removing the base 100b portion of the mold remaining to expose the other side of the piezoelectric rod 155 to planarize it, 2) depositing a conductive material uniformly through a sputtering process to form a metal layer. Previously, 3) a piezoelectric sensor array as shown in FIG. 8 may be manufactured by forming a top electrode 172 by etching a part of the metal layer by using a photolithography method in the same manner as the method of forming the bottom electrode. At this time, the upper electrode 172 is preferably formed in a direction perpendicular to the lower electrode 171.
  • a plurality of piezoelectric elements 155 may be arranged in a matrix form.
  • a high voltage is applied to the piezoelectric material through a polling process to activate the piezoelectric rod in the piezoelectric element.
  • each piezoelectric rod In order to activate the piezoelectric rod, a high voltage voltage was applied to each piezoelectric element to activate it, but even though each individual piezoelectric rod is polarized under the same conditions (voltage, time, etc.), each piezoelectric rod has a slight difference. Can be.
  • a polarization treatment is performed by simultaneously applying voltage to a plurality of piezoelectric elements arranged in the same row using a semiconductor test probe; It may further include to activate the piezoelectric element.
  • a voltage can be simultaneously applied to each of the conductive fillers in the piezoelectric elements arranged in the same row, the first polling electrode and the second polling electrode, or the piezoelectric rods arranged in the same row.
  • the conductive filler formed in the second via region 132 , 132a, 132b) are connected to the lower electrode 171, and the second polling electrodes 191, 191a, 191b are connected to the upper electrode 172, thereby applying a voltage to all of the piezoelectric rods to connect the piezoelectric elements. Can be activated.
  • a lower polling electrode connected to the lower electrode 171 is formed in a place corresponding to the second via regions 181a and 181b, and exposed to the outside to correspond to the second polling electrodes 191a and 191b. It is also possible to activate the piezoelectric element by connecting the upper polling electrode to the wire and applying a voltage.
  • a wafer on which a plurality of piezoelectric elements are formed may be cut into units of each piezoelectric element through a dicing step to manufacture the piezoelectric sensor 200.
  • the piezoelectric sensor 200 Even if the piezoelectric element is separated through the dicing step, an unnecessary dummy substrate 110 is attached to the piezoelectric element with an adhesive. Therefore, it is preferable to manufacture the piezoelectric sensor 200 by separating the dummy substrate 110 and the piezoelectric element by applying heat at a temperature at which the adhesive can be melted.
  • Another embodiment of the present invention includes a piezoelectric sensor manufactured by the aforementioned manufacturing method and an ultrasonic sensor including the piezoelectric sensor 200.
  • the ultrasonic sensor may be manufactured by forming the piezoelectric sensor 200 on the substrate 210.
  • the substrate 210 is a plate formed by arranging a plurality of piezoelectric sensors, and may be manufactured using an insulating material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulating substrate.
  • the substrate is not particularly limited as long as it is usually used for a circuit board, and all of them can be used.
  • a PCB printed circuit board
  • a cavity 215 may be formed below a portion where a plurality of piezoelectric sensors 200 are formed.
  • the cavity 215 may be an ultrasonic piezoelectric sensor 200. It is also possible to form in advance during the manufacturing process. This is that the ultrasonic sensor is applied to the piezoelectric sensor 200, the piezoelectric rod generates ultrasonic waves through up and down vibrations, and the cavity is formed in the lower portion of the piezoelectric sensor to improve the amplitude of ultrasonic waves generated and reflected on the object. By amplifying the signal strength of the reflected wave, accurate and reliable information can be obtained.
  • the arrangement structure of the plurality of piezoelectric sensors formed on the substrate may vary depending on the pattern and shape of the patterned electrode on the substrate, and the arrangement structure of the piezoelectric sensors may vary, and the arrangement structure of the piezoelectric sensors may be the same.
  • a cavity may be formed under each piezoelectric sensor.
  • the shape of the cavity may be a groove, such as a pillar, horn, etc., in which the horizontal cross-section has various horizontal cross-sections such as polygonal, circular, or oval shapes.
  • At least one of the inner segments of the horizontal cross-section of the piezoelectric sensor may be formed longer than the inner segments of the horizontal cross-section of the cavity formed on the same line so that the piezoelectric sensor formed on the cavity is formed on the substrate.
  • the inner segment means a line segment connecting points and points on the edge of the section passing through the center of gravity (G) of the section.
  • the horizontal cross-sectional shape of the cavity is formed in the form of a cross, and a cross-section of the cross-section can be used to be formed smaller than the width of the horizontal cross-section of the piezoelectric sensor.
  • This not only can provide a sense of stability because the corner portions of the different piezoelectric sensors are bonded to the substrate, but also can increase the vibration of the piezoelectric sensors to amplify the signal strength of the generated ultrasonic waves.
  • the silicon substrate is etched to form a mold 100 including an edge portion 100a, a pillar portion 100c, and a plurality of through holes 100e, and the mold 100 thus manufactured Is fixed on the heat resistant jig 101.
  • the piezoelectric material 151 is filled using a centrifugal pattern filling device to manufacture the piezoelectric rod 155.
  • a centrifugal pattern filling device to manufacture the piezoelectric rod 155.
  • the process of increasing the pressure inside the jig 3 or sintering using a heating member has already been described above, and thus is omitted here.
  • the piezoelectric material 151 is filled in the plurality of through holes 100e to form piezoelectric rods 155, and an etching step is performed to remove a portion of the mold 100 so that the piezoelectric rod 155 protrudes.
  • the insulating material 120 such as epoxy
  • the lower electrode 171 is formed in a predetermined pattern on one side of the exposed piezoelectric rod.
  • an upper electrode 172 may be formed in a predetermined pattern to manufacture an ultrasonic piezoelectric sensor array.
  • the etching step it is preferable to etch a part of the pillar part 100c and the conductive filler 132 of the mold, and a part of the pillar part 100C of the mold remains to support and fix the piezoelectric rod 155, It is more preferable that the height of the pillar portion 100c of the remaining mold is larger than the width or diameter of the piezoelectric rods 155.
  • the heat-resistant jig 101 used at this time is not particularly limited as long as it is a material that does not cause a special reaction at the sintering temperature of the piezoelectric material 151, but may be selected from titanium, zirconium, nickel, cobalt, and alloys selected from them. , Titanium is preferred.
  • the step of using the dummy substrate 110 can be omitted, and the bending of the conductive filler 132 in the process of filling the insulating material 120 can be more effectively prevented, and the sensor There is an advantage that is easy to maintain the flatness of.
  • the ultrasonic piezoelectric sensor array manufactured as described above may be subjected to a polling step in which a voltage is simultaneously polarized by using a semiconductor test probe, and in addition to the semiconductor test probe, as shown in FIG. 10, upper and lower parts of the sensor array It is also possible to place a polarizing electrode 300 coated with a metal having excellent electrical conductivity on each of the electrodes formed on the surface, and at the same time apply a voltage to a polarization treatment to perform a polling treatment.
  • a silver-coated polarizing electrode When using such a silver-coated polarizing electrode, it may be performed by applying a voltage of 250 to 400V for a time of about 30 minutes. In addition to silver, it is also possible to use a polarizing electrode coated with other highly conductive metal by electroplating. Do. Polarization may be performed for each rod of the conductive filler constituting the sensor array through a polling step using a polarizing electrode.
  • the piezoelectric rod obtained by manufacturing the piezoelectric rod through the spray-pressing process presented in the prior applicant's patent application was prepared as a comparative example, The results are presented in FIG. 11. Since the specific manufacturing process is presented in the applicant's previously filed specification, it will be briefly described here.
  • a piezoelectric rod was manufactured using titanium, zirconium, and lead (hereinafter, PZT) as a piezoelectric material in a silicon mold having a plurality of holes.
  • PZT titanium, zirconium, and lead
  • PZT was pulverized to have an average particle size of 55 ⁇ m, and then powdered, and the powdered PZT was subjected to dry spraying by applying 3 MPa air pressure on the mold.
  • the adhesive solution obtained by mixing the acrylic adhesive and acetone was sprayed in a liquid state, and then put in a pressurized chamber to apply a pressure of 7 kPa under a nitrogen atmosphere.
  • the dry spray, liquid spray, and pressurization were repeated three times to completely fill the piezoelectric material on the mold.
  • the piezoelectric material was sintered by heating at 900 ° C. for 25 minutes to prepare a piezoelectric rod.
  • the piezoelectric materials were effectively filled into the mold pattern as a whole, but it was confirmed that the filling density of the piezoelectric material was low, such as a large number of empty spaces in the middle of the formed piezoelectric rod.
  • FIG. 12 is a result of observing the shape of a piezoelectric rod manufactured using a centrifugal pattern filling apparatus 10A including a spray method as described above for the same material and a mold pattern by SEM
  • FIG. 13 shows pressure control means 5 This is a result of observing the piezoelectric rod manufactured through the provided centrifugal pattern filling device 10B by SEM.
  • the defective rate of the manufactured piezoelectric rod is significantly reduced to produce a piezoelectric sensor
  • the performance of the piezoelectric sensor can be further improved due to the high filling density of the piezoelectric rod.
  • the present invention places the slurry containing the piezoelectric material together with the mold in a sealed jig under pressure, and then fills the piezoelectric material contained in the slurry into the pattern formed in the mold through centrifugal force.
  • the defect rate of the manufactured piezoelectric rod is significantly reduced to improve the quality of the piezoelectric sensor manufacturing method and the piezoelectric sensor manufactured accordingly, and the ultrasonic sensor including the same.
  • the piezoelectric rods constituting the piezoelectric sensor are manufactured through a subsequent process by supporting the piezoelectric rods having a long aspect ratio so as not to collapse during a process in which fine processing is performed to form an ultrasonic piezoelectric sensor array. Since there is an effect that can minimize the defect rate of the ultrasonic fingerprint recognition sensor, there is industrial applicability.

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Abstract

본 발명은, 압전 센서의 제조 과정 중에서 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 원심력을 통해 압전 물질을 몰드의 패턴에 충진하여 압전 로드를 제조함으로써, 제조과정 중의 압전 로드의 불량률을 현저히 저감시켜 생산 수율이 향상된 압전 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 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.

Description

원심 패턴 충진 장치 및 이를 이용한 초음파 압전 센서의 제조 방법, 그리고 이러한 방법으로 제조된 초음파 압전 센서 혹은 초음파 인식 센서
본 발명은, 초음파 지문 인식 센서에 사용되는 초음파 압전 센서의 제조 방법에 관한 것으로, 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 압전 로드(rod)를 제조함으로써, 기존의 압전 로드의 제조 방법에 비해 보다 간단하고 효과적으로 공정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 제조과정 중에서 발생할 수 있는 압전 로드의 불량률을 현저히 감소시켜, 생산 수율과 제조 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 초음파는 그 주파수가 인간의 가청 주파수 범위인 약 20 kHz보다 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 대상 물체의 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.
기존의 출원인에 의해 선출원된 초음파 압전 센서의 제조 방법(대한민국 특허출원 제10-2017-0153501호)의 경우에는, 스프레이 분사 단계와 가압 단계가 각각 별도로 수행됨으로써, 공정 수가 많고 몰드의 패턴 내에 압전 물질들이 효과적으로 충진되지 못하는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 압전 센서의 생산 수율을 향상시키기 위하여 압전 물질을 포함하는 슬러리를 가압 조건으로 밀폐된 지그 내에 몰드와 함께 위치시킨 후, 원심력을 통해 몰드에 형성된 패턴 내부로 슬러리에 포함된 압전 물질을 충진시킴으로써, 분사단계와 가압단계를 동시에 수행하여 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.
특히, 압전 센서를 구성하는 압전 로드들이 초음파 압전 센서 어레이를 형성하도록 미세 가공이 수행되는 과정 중에서, 긴 종횡비(aspect ratio)를 갖는 압전 로드들이 쓰러지지 않도록 지지해줌으로써, 후속 공정을 거쳐 제조되는 초음파 지문 인식 센서의 불량률을 최소화하고자 한다.
본 발명에 따른 원심 패턴 충진 장치(10)의 일 실시 형태(10A)는, 원주 중공 구조로 형성된 본체(1); 상기 본체 하부에 위치하고, 본체와 기계적으로 연결된 회전 모터(2); 상기 본체 내주면의 표면에 지그(Jig, 3)가 고정되는 장착부(4); 및 상기 본체의 중심부에는, 복수의 홀(7B)이 형성된 원기둥 형태의 노즐부(7A);를 포함한다. 상기 지그(3)는, 패턴이 형성된 몰드(100)가 고정되는 바닥부를 포함하며, 상기 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 회전하면서, 상기 노즐부(7A)로 부터 압전 물질(151)이 포함된 슬러리(152)가 방사상으로 분사되어, 지그(3)에 고정된 몰드(100)의 패턴 내부로 슬러리에 포함된 압전 물질(151)이 충진되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 홀(7B)은, 원기둥 형태의 노즐부(7A)의 외주면에 약 10°의 간격으로 형성되고, 형성된 홀(7B)들의 사이는 약 2~5㎜의 범위로 이격되는 것이 바람직하며, 약 25wt%의 농도로 압전 물질(151)이 분산된 슬러리(152)를 본체(1)의 중심부에 형성된 노즐부(7A)의 홀(7B)를 통해서 방사상으로 분사하여, 회전하는 본체의 내주면에 고정된 패턴이 형성된 몰드(100)의 패턴 내부로 상기 압전 물질(151)을 충진시키게 된다.
본 발명에 따른 원심 패턴 충진 장치(10)의 또 다른 형태로, 앞서 살펴본 것처럼 몸통의 회전축이 중력 방향과 동일하게 수직인 경우(10A)와는 달리, 드럼 세탁기와 유사한 구조로 중력 방향에 수직인 회전축에 의해 수평으로 몸통이 회전하는 원심 패턴 충진 장치(10B)를 들 수 있다.
이러한 또 다른 형태의 원심 패턴 충진 장치는, 원주 중공 구조로 형성된 본체(1); 상기 본체 하부에 위치하고, 본체와 기계적으로 연결된 회전 모터(2); 및 상기 본체 내주면의 표면에 지그(Jig, 3)가 고정되는 장착부(4);를 포함한다.
이때 사용되는 지그(3)는, 서로 결합되어 밀폐된 내부를 형성할 수 있는, 뚜껑부(6), 몸통부(8) 및 바닥부(9)를 포함하고, 패턴이 형성된 몰드(100)가 바닥부(9)에 고정되며, 상기 몰드(100)의 위로 압전 물질(151)을 포함하는 슬러리(152)가 채워지고, 슬러리(152)의 위로 압력을 가해줄 수 있는 압력 조절 수단(5)이 위치한다.
또한, 상기 압력 조절 수단(5)과 몰드(100)의 사이에는, 스페이서 부재(5A)가 위치하여, 상기 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 회전함에 따라, 원심력과 압력 조절 수단(5)에 기인하는 압력으로 인해 지그(3)의 바닥부(9)에 위치하는 몰드(100)의 패턴 내부로 슬러리(152)에 포함된 압전 물질(151)이 충진되는 것을 특징으로 한다.
상기 압력 조절 수단(5)으로는, 뚜껑부(6)에 형성되는 압력조절 밸브(5D) 및/또는 스페이서 부재(5A)의 위에 위치하는 로드 셀(5B)이 사용될 수 있는데, 상기 로드 셀(5B)의 외주면에는 오링(O-ring)과 같은 밀폐 부재(5C)가 위치하여, 회전시 슬러리(152)가 지그(3)의 내부에서도 로드 셀(5B)의 아래쪽에 위치하도록 제한하는 것이 바람직하다.
상기 스페이서 부재(5A)는, 다공성 구조를 갖는 발포 폼(foam)으로 이루어져 내부에 슬러리(152)가 채워지고, 몰드(100)에 가해지는 압력을 고르게 분산시키는 것이 더욱 바람직한데, 발포 폴리에틸렌, 발포 폴리스티렌, 발포 폴리우레탄, 발포 폴리 프로필렌, 페놀 수지 발포 폼, 발포 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 발포 실리콘, 발포 폴리염화비닐로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 원심 패턴 충진 장치에 사용되는 슬러리(152)에 포함된 압전 물질(151)은, PZT(PbZrTiO3)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 합화물로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 몰드(100)는, 기판이 식각되어 형성된 패턴을 포함하되, 몰드(100)의 패턴은 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하며, 상기 기판의 재질로는 단결정 실리콘, SiO2, SiN, SOI, 질화알루미늄(AIN), 산화알루미늄(AL2O3), 폴리디메틸실록산(PDMS), SU8, 폴리이미드(PI) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태로, 초음파 압전 센서의 제조방법을 들 수 있는데, 실리콘 기판을 식각하여 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하는 몰드(100)를 형성하는 단계; 상기 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 충진하여 압전 로드(155)들을 형성하는 단계; 상기 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 포함한다.
특히, 압전 로드(155)들을 형성하는 단계는, 앞서 살펴본 어느 하나의 원심 패턴 충진 장치(10)를 사용하여, 원심력으로 슬러리(152) 내에 포함된 압전 물질(151)을 몰드(100)의 패턴 내부로 충진시키는 것이 바람직하다.
상기 압전 로드(155)들을 형성하는 단계는, 상기 지그(3)의 내부 바닥부(9)에 패턴이 형성된 몰드(100)를 고정하는 단계; 상기 지그(3)의 내부로 압전 물질(151)이 포함된 슬러리를 공급하는 단계; 뚜껑부(6)에 형성된 압력 조절 수단(5)을 사용하여 지그 내부의 압력을 높여주는 단계; 회전 모터(2)가 작동하여, 지그(3)가 고정된 장착부(4)를 포함하는 본체(1)를 회전시키는 단계; 및 몰드(100)를 가열하여 압전 물질(151)을 소결시키는 소결단계;를 포함한다.
상기 압력 조절 수단(5)을 사용하여 지그 내부 압력을 약 3 ~ 20 ㎫의 범위로 유지하는 것이 바람직하며, 상기 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계 후에, 상기 초음파 압전 센서 어레이 상의 동일한 열에 배치된 복수의 압전 소자의 상부 전극과 하부 전극 각각에 전도성 금속이 코팅된 분극 전극을 위치시키고, 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계;를 더 포함할 수 있다.
아울러 본 발명에 따른 초음파 압전 센서의 제조방법에 의해 제조된 초음파 압전 센서와 이러한 초음파 압전 센서를 포함하는 초음파 지문 센서 역시 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명은, 압전 물질을 포함하는 슬러리를 사용하여 압전 로드를 형성시키는 과정에서, 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 분사과정과 가압공정을 동시에 수행함으로써 보다 간단한 방법으로 압전 로드를 제조할 수 있으며, 압전 로드를 패터닝 하는 과정 중에서 실리콘 몰드를 다단계로 식각함으로써, 제조된 압전 로드의 불량률을 현저히 저감시켜 생산 수율이 향상된 압전 센서를 제조할 수 있다.
또한, 압전 센서 내에 추가적인 도전성 필러를 형성함으로써, 별도로 상부 전극과 하부 전극을 연결하는 별도의 와이어 본딩 없이 상부 전극과 하부 전극을 보다 효과적으로 통전시킬 수 있는 장점이 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 3은 본 발명에 따른 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 압전 로드를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 전도성 필러를 형성하고 난 뒤, 평타화공정을 통해 평탄화된 몰드를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 식각 단계를 통해 식각된 몰드를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 압전 센서의 제조 과정 중 하부 전극을 형성하기 전, 절연층의 일부가 평탄화 공정으로 제거되어 평탄화된 상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 웨이퍼를 개략적으로 나타낸 모식도 이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라 제조된 기판 상에 형성된 압전로드의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10는 분극 전극을 사용하여 본 발명에 따른 압전 센서 어레이를 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 11은 기존의 액상 분사 방식으로 제조된 압전 로드의 SEM 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 제조된 압전 로드의 SEM 이미지이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 제조된 압전 로드의 SEM 이미지이다.
[도면의 부호 설명]
1: 본체 2: 회전 모터
3: 지그(Jig) 4: 장착부
5: 압력 조절 수단 5A: 스페이서 부재
5B: 로드 셀 5C: 밀폐 부재
5D: 압력 조절 밸브 6: 뚜껑부
7A: 노즐부 7B: 홀
8: 몸통부 9: 바닥부
10, 10A, 10B : 원심 패킹 충진 장치 100 : 몰드
100a :몰드의 가장자리부 100b : 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
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.
이하에서는 본 발명의 압전 센서의 제조방법 및 이에 따라 제조된 압전 센서, 그리고 이를 포함하는 초음파 센서에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명은 압전 센서의 제조방법에 관한 것으로, 기판을 식각하여 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하는 몰드(100)를 형성하는 단계; 상기 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 충진하여 압전 로드(155)들을 형성하는 단계; 상기 압전 로드(155)가 돌출되도록 몰드(100)를 식각하는 식각단계; 상기 식각단계를 통해 식각된 부분에 절연재(120)를 충진하는 단계; 압전 로드(155)의 일 측면이 노출될 때까지 상기 절연재(120)를 제거한 다음, 노출된 압전 로드의 일 측면에 소정의 패턴으로 하부전극(171)을 형성하는 단계; 상기 하부전극이 형성된 표면에 더미 기판(110)을 결합하는 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 웨이퍼를 제조하는 단계;를 포함하며, 도 1 또는 도 2에 제시된 형태의 초음파 압전 센서(200)를 제조할 수 있다.
상기 기판의 재질로는, 단결정 실리콘, SiO2, SiN, SOI, 질화알루미늄(AIN), 산화알루미늄(AL2O3), 폴리디메틸실록산(PDMS), SU8, 폴리이미드(PI) 등이 사용될 수 있다.
특히, 본 발명의 상기 압전 로드(155)를 제조하는 단계는, 도 3a에 제시된 바와 같이, 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)이 형성된 몰드(100)에 압전 물질(151)을 채워 넣을 수 있는데, 본 발명에서는 도 3a에 제시 것처럼, 스프레이 분사와 본체(1)의 회전에 따른 원심력을 동시에 사용하는 원심 패턴 충진 장치(10A)를 사용할 수 있다.
또는, 지그(3)의 내부에 슬러리(152)와 몰드(100)를 위치시키고, 드럼 세탁기의 회전 방식과 유사하게, 중력 방향에 수직인 회전축을 통해 본체(1)를 회전시킴과 동시에 별도의 압력 조절 수단(5)을 사용하여 압력을 가해줌으로써, 패턴이 형성된 몰드에 압전 물질(151)을 충진시키면서 동시에 압력을 가해줄 수 있다.
이에 각각의 압전 물질(151) 충진 방식을 좀 더 구체적으로 설명하고자 한다.
먼저, 도 3a의 좌측에 제시된 스프레이 분사 방식이 포함된 원심 패턴 충진 장치(10A)를 사용한 압전 물질의 원심 충진 방법을 설명하면, 먼저 본체(1)의 내주면에 형성된 장착부(4)에 지그(3)를 고정한다. 상기 지그(3)는 패턴이 형성된 몰드(100)가 고정될 수 있도록 바닥부가 형성되어 있어, 본체(1)가 회전하더라도 안정적으로 몰드(100)가 본체(1)의 내주면에 고정될 수 있도록 할 수 있다.
패턴이 형성된 몰드(100)를 본체(1)의 내주면 장착부(4)에 고정하여 몰드(100)에 형성된 패턴의 개구부가 본체(1)의 중심을 향하도록 위치시킨 후, 압전 물질(151)이 약 25wt%의 농도로 포함된 슬러리(152)를 본체(1)의 중심부에 형성된 원기둥 형태의 노즐부(7A)로 연속적으로 공급한다.
이때, 본체(1)는 하부에 기계적 혹은 물리적으로 연결된 회전 모터(2)에 의해 회전하게 되는데, 노즐부(7A)로 공급된 슬러리(152)는 복수의 홀(7B)에 의해 몰드(100)에 형성된 패턴의 개구부로 배출되는데, 상기 복수의 홀(7B)은 원기둥 형태의 노즐부(7A)의 외주면에 약 10°의 간격으로 형성되는 것이 바람직하고, 형성된 홀(7B)들의 사이는 약 2~5㎜의 범위로 이격되는 것이 바람직하다.
이렇게 배출된 슬러리의 일부가 몰드(100)의 패턴 안쪽으로 유입되어, 패턴의 내부에 압전 물질(151)이 쌓이게 된다. 앞서 설명한 것처럼 이때 본체(1)는 계속 일정 속도로 회전하므로, 패턴 내부에 쌓이는 압전 물질(151)은 원심력에 의해 패턴 안쪽으로 깊숙히 충진되면서 보다 긴밀(dense)하게 패턴 내부를 충진하게 된다. 본체(1)의 회전 속도는 약 3,000~8,000 rpm 정도로 본체의 직경에 따라 달라지겠지만, g-force로 환산할 경우 약 10~5,000 G의 범위로 원심력이 가해지게되어 패턴 내에서 압전 물질의 충진 밀도를 높여줄 수 있다.
압전 물질(151)이 분산된 슬러리의 용매로는, 물과 같은 극성 용매 혹은 알코올류 등의 비극성 용매 모두 사용될 수 있으나, 극성 용매인 물을 사용하는 것이 바람직하다.
이렇게 스프레이 방식을 포함하는 원심 패턴 충진 장치(10A)의 경우에는, 연속 공정으로 슬러리를 공급하고, 몰드의 패턴을 충진할 수 있으며, 스프레이 분사되어 본체(1)의 바닥 부분에 잔류하게 되는 슬러리 역시 다시 순환시켜 재사용할 수 있는 장점이 있으나, 몰드의 패턴 내부로 압전 물질이 충진되는 힘이 원심력에 주로 의존하기 때문에 압전 물질을 패턴 내부로 충분히 충진시키기 위해서는 오랜시간이 걸리는 단점이 존재한다.
따라서, 원심력에 더하여 추가적인 힘을 가하여 압전 물질의 패턴 충진 정도를 향상시킬 수 있는 다른 형태의 원심 패턴 충진 장치(10B)가 도 3a의 우측에 제시되어 있다.
상기 원심 패턴 충진 장치(10B)는, 본체(1)의 회전 축이 중력에 수직 방향으로 배치되어, 드럼 회전 방식을 채용하고 있는데, 본체(1)의 내주면에 위치하는 장착부(4)에는, 밀폐된 내부를 형성하는 지그(3)가 고정된다. 이러한 장착부(4)는 비록 도면에는 본체(1)의 내부에 대칭되는 위치에 한 쌍으로 표시되어 있으나, 필요에 따라 대칭 위치를 유지하면서 복수개의 쌍으로 형성되는 것도 가능하다.
상기 지그(3)는, 결합되어 밀폐된 내부 공간을 형성할 수 있도록, 뚜껑부(6), 몸통부(8) 및 패턴이 형성된 몰드(100)가 고정되는 바닥부(9)를 포함하되, 몰드(100)의 장착과 탈착 및 내부 세척이 용이하도록 뚜껑부(6)와 바닥부(9) 및 몸통부(8)가 분리될 수 있는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
먼저, 바닥부(9)에 패턴이 형성된 몰드(100)를 고정한 후, 몸통부(8)와 바닥부(9)를 결합하고, 압전 물질(151)을 포함하는 슬러리(152)를 지그(3)의 내부에 공급한다. 공급되는 슬러리(152)의 양은 바닥부(9)에 고정된 몰드(100)가 슬러리(152)에 의해 잠길 수 있는 양이면 충분하지만, 바람직하게는 후술되는 스페이서 부재(5A)가 잠길 수 있을 정도의 양으로 공급하여 지그(3)의 내부를 채우는 것이 바람직하다.
또한, 슬러리(151)를 주입한 후, 패턴이 형성된 몰드(100)를 보호하기 위해 스페이서 부재(5A)를 몰드의 위로 위치시키고, 스페이서 부재(5A)의 위로 로드 셀(5B)을 위치시킨다.
상기 스페이서 부재(5A)는, 패턴이 형성된 몰드(100)에 일시적으로 불균일한 압력이 가해져서 물리적인 손상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 다공성 구조를 갖는 발포 폼(foam) 재질이 사용되는 것이 바람직한데, 발포 폴리에틸렌, 발포 폴리스티렌, 발포 폴리우레탄, 발포 폴리 프로필렌, 페놀 수지 발포 폼, 발포 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 발포 실리콘, 발포 폴리염화비닐로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
이러한 스페이서 부재(5A)의 내부에 슬러리(152)가 스며들게 되어, 본체(1)가 회전할 경우, 슬러리가 스페이서 부재(5A)의 아래에 위치하는 몰드(100)쪽으로 이동하여, 몰드에 형성된 패턴의 내부로 압전 물질(151)을 공급하게 된다.
상기 스페이서 부재(5A)의 위쪽으로는 압력 조절 수단(5)의 하나인 로드 셀(5B)가 위치할 수 있는데, 로드 셀(5B)의 무게에 의해 본체(1)의 회전에 의한 원심력을 좀 더 높여줄 수 있게 되어, 몰드 내부의 패턴 안쪽으로 슬러리(152)에 포함된 압전 물질(151)을 보다 효과적으로 이동시킴과 동시에 치밀하게 충진시킬 수 있다.
상기 로드 셀(5B)의 외주면에는 오링(O-ring)과 같은 밀폐 부재(5C)가 위치하여, 본체(1)의 회전시에도 슬러리(152)가 지그(3)의 내부에서 로드 셀(5B)의 아래쪽에 위치하여, 스페이서 부재(5A)를 거쳐 몰드(100)의 패턴 내부로 이동할 수 있도록 슬러리의 움직임을 제한하는 것이 바람직하다.
이러한 압력 조절 수단(5)으로, 로드 셀(5B)외에도 지그(3)의 뚜껑부(6)에 압력 조절 밸브(5D)를 추가하여 별도로 외부에서 공기 혹은 질소 가스 등의 비활성 가스(inert gas)를 주입하여 지그(3) 내부의 압력을 높여줄 수도 있다. 로드 셀(5B)과 압력 조절 밸브(5D)는 선택적으로 혹은 동시에 적용이 가능하며, 원심력과 동시에 압력을 추가로 더 가해줌으로써, 슬러리 내에 포함된 압전 물질을 보다 효과적으로 패턴 내부로 충진시킬 수 있다.
이러한 압력 조절 수단(5)을 통해서 지그(3) 내부의 압력을 약 3~20 MPa의 범위로 조절하는 것이 바람직한데, 이는 지그(3) 내에 채워진 슬러리에 포함된 압전 물질(151)이, 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 고속으로 회전할 경우, 원심력에 의해 몰드(100)에 형성된 패턴의 복수의 홀(100d) 내부로 강제로 침강되어 충진될 때, 보다 견고하고 치밀(dense)한 형태를 유지할 수 있도록 추가 압력을 가해주기 위함이다.
상기 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 회전함에 따라, 원심력에 의해 지그(3) 내부의 바닥면에 위치하는 몰드(100)의 패턴 내부로 슬러리에 포함된 압전 물질(151)이 충진되는데, 지그(3)의 내부에 충진되는 밀도를 더욱 높이고 압전 물질(151)을 밀집시키기 위해 지그(3)의 내부 압력을 제어하는 것이 바람직하며, 원심 패턴 충진 장치(10)의 작동이 끝난 후에는 압력 조절 수단(5)을 작동시켜 내부 압력을 다시 상압으로 변화시킨 후, 앞서 설명한 과정과 반대의 순서로 압전 물질(151)이 충진된 몰드(100)를 꺼내게 된다.
이렇게 충진 및 가압 과정을 거친 몰드(100)를 가열하여 압전 물질을 소결시키는 소결단계;를 포함할 수 있는데, 이러한 소결 단계는 별도의 장치를 이용할 수 있으나, 앞서 살펴본 원심 패턴 충진 장치(10)내에 설치된 히팅 부재(도면에 따로 도시되지는 않음)에 의해 소결 과정을 거치는 것도 가능하다.
몰드(100)에 형성된 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 충분히 밀집시켜 충진함으로써, 압전 로드(155)의 밀도를 균일하게 향상시키고, 이로 인해 얻어지는 압전 로드(155)의 불량율을 현저히 낮출 수 있어, 최종적으로 얻어지는 압전 센서(200)의 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
상기 실리콘 기판을 식각하여 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하는 몰드(100)를 형성하는 단계는 포토리소그래피(Photolithography) 방법을 통해 실리콘 기판과 같은 기판을 식각하여 몰드(100)를 형성할 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 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.
본 발명의 일 실시형태에 따른 몰드(100)를 형성하는 방법은, 먼저 a) 준비된 기판에 포토레지시트(Photo resist)를 형성한다.
이때 사용되는 기판은 반도체 공정에서 사용될 수 있는 기판이면 특별한 제한 없이 사용 가능한데, 예를 들어 실리콘 단결정, SiO2, SiN, SOI(Silicon-on-insulator), 질화알루미늄(AlN), 산화말루미늄(Al2O3), 폴리디메틸실록산(PDMS), SU8, 폴리이미드(PI), 저마늄(Germanium, Ge), 갈륨-인(Gallium-Phosphorus), 갈륨-비소(Gallium-Arsenic) 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 둥근 모양의 4인치, 6인치, 8인치 혹은 12인치의 지름을 갖는 실리콘 웨이퍼를 기판으로 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 기판 상에 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 있으므로, 이러한 습식 식각법의 단점을 보완할 수 있는 건식 식각법을 주로 사용할 수 있는데, 반드시 건식 식각법으로 한정되는 것은 아니다.
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, 바닥부분인 베이스(100b), 식각되어 형성된 복수의 홀(100d), 홀과 홀의 사이 부분인 기둥부(100c), 기둥부를 제외한 몰드의 나머지 부분인 가장자리부(100a)를 포함할 수 있다.
앞서 언급한 방법을 통해 몰드(100)가 형성되면, 상기 몰드 내에 형성된 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 충진하여 압전 로드(155)를 형성할 수 있다.
본 명세서 내에 제시된 도면들에서는 복수의 홀의 수평단면을 사각형 형태로 형성시킴으로써 압전 로드(155)를 사각기둥 형태로 형성된 것을 도시하였으나, 상기 복수의 홀의 수평단면은 반드시 사각기둥 형태로 한정되는 것은 아니며, 사각형, 원형, 사다리꼴, 마름모, 다각형 등 그 형태가 특별히 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있고, 이를 통해 제조된 압전 로드 역시 다양한 형태의 수평단면을 갖는 기둥형태로 형성될 수 있다.
앞서 설명한 원심 패턴 충진 장치(10)를 사용하여 몰드(100) 상에 압전 물질(151)을 포함하는 슬러리(152)를 공급하고, 원심력을 통해 복수의 홀(100d)에 압전 물질을 채우는 원심 충진 단계와 밀폐된 지그(3)의 내부를 가압함으로써 복수의 홀에 압전 물질(151)을 밀집시키는 가압단계가 동시에 수행될 수 있으며, 필요에 따라 선택적으로 원심 패턴 충진 장치(10)의 내부에 추가로 형성된 가열 부재를 사용하여 몰드를 가열함으로써 압전 물질을 소결시키는 소결단계를 동시 혹은 차례로 수행하는 것이 가능하다.
본 발명의 압전 센서 내 포함되는 압전 로드(155)는 압전 물질(151)로 이루어지거나, 압전 물질(151)을 포함함으로써, 추후 후술되는 전극들을 통해 전압이 인가되면 초음파를 발생하거나, 초음파를 수신하여 전류를 발생시킬 수 있다.
구체적으로 상기 압전 물질이 진동할 수 있는 초음파 대역의 공진 주파수를 갖는 교류 전압이 상기 압전 센서 내 압전 로드에 인가되면 압전 로드가 상하, 좌우로 진동될 수 있으며, 이와 같이 상기 압전 로드가 상하, 좌우로 진동하게 되면 소정의 주파수를 갖는 초음파 신호를 생성할 수 있다.
따라서, 상기 압전 센서(200)에 전압을 인가하여 초음파를 발생, 수신하여 정확히 대상체를 인지하기 위해서는, 상기 압전 로드 내 압전 물질이 조밀하게 형성되어야 하며, 제조하고자 하는 압전 로드의 형태가 손상되지 않고 완전해야 하며, 상기 압전 로드 내부에 구멍, 공극, 기공(air vent), 기포, 공기간극(air gap) 등이 형성되지 않는 것이 바람직하다.
일 예로, 출원인의 선출원 명세서에 기재되어 있듯이, 압전 센서 내 압전 로드(155)를 형성하기 위해서, 복수의 홀이 형성된 몰드에 라이너 형태로 절연막을 콘포멀하게 증착한 후, 압전 물질을 주입하여 형성할 수 있다. 이때 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 방법으로, 기존의 압전 재료를 주입하고, 위에서 평평한 누름판을 사용하여 가압하여 식각된 부분에 빈틈이 생기지 않도록 주입할 수 있으며, 일 예로 Jenopik 사의 HEX04와 같은 핫 엠보싱 장비를 사용하여 압전 물질을 주입할 수 있으나, 앞서 상세히 설명한 원심 패턴 충진 장치(10)를 사용하는 것이 바람직함을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
기존의 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 도 3a와 같이 상기 압전 물질(151)을 슬러리(152) 형태로 분산시킨 후, 미세한 입자 형태의 압전 물질(151)을 상기 몰드 상에 원심력을 사용하여 충진하면서, 지그(3) 내부를 약 3~20 MPa의 압력 범위로 가압함으로써, 몰드(100) 내 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 조밀하게 충진하여 압전 로드(155)를 형성할 수 있다.
이때, 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 가압 단계는, 밀폐된 지그(3)의 내부로 압력 밸드를 통해 고압의 공기 혹은 질소와 같은 비활성 기체를 공급하거나, 별도의 로드 셀(load cell)을 사용하여 수행될 수 있는데, 공기 및/또는 질소가스의 비활성(inent) 분위기 하에서 약 3 ~ 20 ㎫의 압력이 가해짐으로써, 복수의 홀 내 채워진 압전 물질을 치밀하게 충진시키고, 채워진 압전 물질 사이에 형성된 공기를 제거함으로써, 기공(air vent), 기포 혹은 공기간극(air gap) 등을 제거하거나, 압전로드에 기공, 기포 등이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 이러한 가압 조건를 통해 복수의 홀에 채워진 압전 물질을 밀집시켜 복수의 홀에 충진된 압전 물질의 밀도를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 후속 공정의 소결단계에서 압전 로드의 쉬링크(Shrink) 현상을 저감, 최소화시킴으로써 압전 로드의 불량률을 현저히 낮출 수 있다.
상기 몰드 내 복수의 홀에 압전 물질이 완벽하게 충진되면, 몰드를 가열하여 상기 압전 물질을 소결시키는 소결단계를 통해 압전 로드를 제조할 수 있다.
이러한 소결 단계는, 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(PbZrTiO3)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, 복수의 홀 내부에 압전 물질을 치밀하게 충진시킴으로써, 상기 소결 단계에서 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, 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 단계;를 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 비아 홀은 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 저하될 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 복수의 압전 로드가 형성된 패턴의 측면의 소정의 영역에 형성되는 제1 비아 영역(131)인 것이 바람직하다. 추가적으로 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) 및/또는 제2-2 비아 영역(181b)을 포함할 수 있다(도 9 참조).
상기 비아 영역을 에칭하는 방법은 무저항성 실리콘을 식각하거나 홀을 형성하는 방법이면 한정되지 않고 사용가능하나, 앞서 언급한 몰드를 형성하는 단계에서 복수의 홀을 형성하기 위해 사용되었던 포토리소그래피 공정을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제1 비아 영역(131)은 제조된 본 발명의 압전 센서 내 상부전극과 하부전극을 전기적으로 연결하기 위해 형성된 것이다.
일 예로, 복수의 압전 로드들이 형성된 패턴이 행렬일 경우, 상기 복수의 압전 로드들이 배열된 열 방향 또는 행 방향의 측면 부분인 가장자리부(100a)의 바깥부분의 소정 영역에 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 몰드 가장자리부(100a)의 외곽 부분의 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 있는데, 도전성 실리콘을 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 있는데, 이러한 전도성 필러(132)는 후속 공정에서 형성되는 상부 전극과 하부전극을 전기적으로 연통시키기 위해 앞서 언급된 압전 로드(155)보다 더 깊게 형성되는 것이 바람직하다.
이렇게 형성된 전도성 필러(132)의 필요한 일부분을 제외하고 불필요한 나머지 부분은, 식각단계에서 포토리소그래피 공정을 통해 몰드의 기둥부(100c) 및 가장자리부(100a)와 함께 제거될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 몰드 내 압전 로드(155) 및 전도성 필러(132)를 형성시킨 다음, 도 3c와 같이 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 3c의 첫번째 그림과 같이 평탄화 공정을 통해 몰드의 기둥부(100c)의 일 측면이 노출될 때까지 평탄화시킬 수 있다.
평탄화된 몰드는 도 4의 두 번째 단계와 같이 몰드의 기둥부(100c)와 가장자리부(100a), 그리고 전도성 필러(132)의 일부를 식각할 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, 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 일부;를 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, 압전 로드와 같이 사각 기둥 형태의 전도성 필러(132a)로 형성시킬 수 있다.
즉, 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 돌출되도록 형성될 수 있다(도 5 및 도 6 팜조).
상기 식각 단계는, 몰드의 기둥부(100c)와 가장자리부(100a) 및 전도성 필러(132)의 일부를 식각하되, 몰드의 베이스부(100b)가 잔류되어 압전 로드(155)를 고정시키는 것이 바람직하다.
특히, 상기 식각 단계에서 잔류되는 몰드의 베이스부(100b)의 두께를 Do, 상기 압전 로드(155)들이 상기 베이스부(100b)의 내부로 침입된 깊이를 D1, 상기 전도성 필러(132)가 상기 베이스부(100b)의 내부로 침입된 깊이를 D2라 할 때, 하기와 같은 식(1)이 성립하도록 각각의 두께와 깊이를 형성하는 것이 바람직하다(도 4 참조).
Do > D2 > D1 (식 1)
상기 식 1이 성립하도록 베이스부(100b)의 두께(Do), 상기 압전 로드(155)들이 상기 베이스부(100b)의 내부로 침입된 깊이(D1) 및 상기 전도성 필러(132)가 상기 베이스부(100b)의 내부로 침입된 깊이(D2)를 형성하기 위해, 상기 식각 단계는 적어도 2회 이상 수행되는 것이 바람직한데, 이처럼 몰드의 베이스부(100b)가 일부 잔류하도록 식각 단계를 다단계로 진행함으로써, 각각의. 압전 로드(155)들은 몰드의 베이스부(100b)에 고정될 수 있으며, 후술되는 절연재(120)형성 과정 중에서 압전 로드(155)들이 쓰러지거나, 서로 겹치는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
전도성 필러(132) 역시 압전 로드(155)들과 동일한 방식으로 몰드의 베이스부(100b)에 고정될 수 있어, 불량률 발생을 최소화할 수 있다.
상기 식각되지 않고 남은 전도성 필러(132a 132b)는, 후속 공정으로 형성된 하부 전극과 상부전극을 전기적으로 연결될 수 있으므로, 압전 로드(155)들에 비해 상기 몰드의 베이스부(100b)에 상대적으로 깊이 침투되도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 전도성 필러(132, 132a, 132b)의 존재로 인해, 추가적으로 압전 소자 내 와이어 본딩과 같은 연결구조를 형성하지 않아도 된다. 아울러 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.
상기 식각단계를 통해 식각된 기둥부(100c), 가장자리부(100a) 및/또는 전도성 필러의 일부분에 절연재(120)를 충진하여 도 4 내지 7과 같이 상기 절연재(120) 사이에 압전 로드(155) 및 전도성 필러(132, 132a, 132b)가 형성된 구조체를 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 7과 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) 혹은 직사각형태의 전도성 필러(132b)가 형성된 후, 식각된 부분에 절연재가 충진되어 형성된 예를 나타낸 것이다.
추가적으로, 폴링용 전극이 형성될 수 있도록 몰드의 외곽 부분에 서로 마주보는 위치에 제2 비아 영역(181a, 181b)을 형성하고, 상기 제2 비아 영역에 전도성 필러(132)를 충진시켜 형성된 형태에 절연재(120)를 충진시킬 수 있다.
상기 도 6 내지 도 7은 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 적절한 패터닝 과정을 통해 다양한 패턴 구조를 갖도록 조절하는 다양한 변형예가 존재할 수 있다.
또한, 평탄화되어 압전 로드(155) 일 측면의 노출된 표면에 소정의 패턴으로 하부 전극(171)을 형성할 수 있다.
구체적으로 상기 하부전극(171)을 형성하는 단계는, 노출된 압전 로드의 일 측면에 전도성 물질을 증착하는 단계; 및 소정의 패턴으로 전도성 물질을 식각하여 하부전극(171)을 형성하는 단계;를 포함하여 하부전극을 형성할 수 있다. 이때, 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, 먼저 1) 평탄화를 통해 압전 로드(155)의 일 측면이 노출된 표면 위로 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 구조체의 표면에 더미 기판(110)을 접착하는 단계를 통해 더미 기판(110)을 상기 구조체에 결합한 후, 상부 전극(172)을 형성할 수 있도록 상기 구조체를 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, 1)뒤집어진 구조체에 잔류되어 있는 몰드의 베이스(100b) 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 8과 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.
이때, 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, 191a, 191b)에 전압을 인가하면, 상기 제2 비아 영역에 형성된 전도성 필러(132, 132a, 132b)는 하부 전극(171)과 연결되어 있고, 제2 폴링 전극(191, 191a, 191b)은 상부전극(172)과 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 전극(171)과 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 활성화시키는 것도 가능하다.
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 형태로는 앞서 언급한 제조방법으로 제조된 압전 센서와 이러한 압전 센서(200)를 포함하는 초음파 센서를 포함한다.
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, 복수의 압전 센서(200)들이 형성된 부분의 하부에 캐비티(Cavity)(215)가 형성될 수 있는데, 필요에 따라 이러한 캐비티(215)는 초음파 압전 센서(200)를 제조하는 과정 중에서 미리 형성시키는 것도 가능하다. 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 넓이보다 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.
본 발명의 또 다른 실시 형태로, 앞선 실시예와는 달리 더미 기판(110)을 사용하지 않고, 내열성 지그(101)을 사용하여 초음파 압전 센서를 제조하는 방법을 들 수 있다.
도 9에 제시된 바와 같이, 실리콘 기판을 식각하여 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 관통 홀(100e)을 포함하는 몰드(100)를 형성하고, 이렇게 제조된 상기 몰드(100)를 내열성 지그(101)위에 고정한다.
앞서 이미 설명한 것과 유사하게, 원심 패턴 충진 장치를 사용하여 압전 물질(151)를 충진하여 압전 로드(155)를 제조한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 몰드(100)가 고정된 내열성 지그(101)를 지그(3)의 내부 바닥면에 고정한 후, 이를 원심 패턴 충진 장치(10)의 내부에 형성된 장착부(4)에 위치시켜, 원심력을 통해 슬러리 내에 분산된 압전 물질(151)을 몰드(100)의 패턴 내부로 충진시킨다.
지그(3) 내부의 압력을 높이거나, 가열 부재를 사용하여 소결 하는 과정은, 이미 앞서 설명하였으므로, 여기서는 생략한다. 복수의 관통 홀(100e)에 압전 물질(151)을 충진하여 압전 로드(155)들을 형성하고, 상기 압전 로드(155)가 돌출되도록 몰드(100)의 일부를 제거하는 식각단계를 거친다.
이러한 식각단계를 통해 식각된 몰드(100) 영역에 에폭시 등과 같은 절연재(120) 를 충진하고, 상기 절연재(120)를 충진하는 단계를 통해 가려진 압전 로드(155)의 일 측면이 노출될 때까지 에칭한 후, 노출된 압전 로드의 일 측면에 소정의 패턴으로 하부전극(171)을 형성한다.
상기 하부전극(171)이 형성된 압전 로드(155)의 타 측면에서 상기 내열성 지스(101)를 제거한 후, 소정의 패턴으로 상부전극(172)을 형성하여 초음파 압전 센서 어레이를 제조할 수 있다.
상기 식각 단계서는, 몰드의 기둥부(100c)와 전도성 필러(132)의 일부를 식각하되, 몰드의 기둥부(100C)의 일부가 잔류하여 압전 로드(155)를 지지하여 고정하는 것이 바람직한데, 잔류되는 몰드의 기둥부(100c)의 높이는, 상기 압전 로드(155)들이 폭 혹은 지름 보다 큰 것이 더욱 바람직하다.
잔류되는 몰드의 기둥부(100c)의 높이가 너무 낮을 경우에는 충분하게 압전 로드(155)를 지지할 수 없기 때문이다.
이때 사용되는 내열성 지그(101)는, 압전 물질(151)의 소결온도에서 특별한 반응을 일으키지 않는 재질이면 특별히 제한되지 아니하나, 티타늄, 지르코늄, 니켈, 코발트 및 이들로부터 선택되는 합금 중에서 선택될 수 있으며, 티타늄이 바람직하다.
내열성 지그(101)를 사용함으로써, 더미 기판(110)을 사용하는 단계를 생략할 수 있고, 절연재(120)를 충진하는 과정에서 전도성 필러(132)의 벤딩을 좀 더 효과적으로 방지할 수 있으며, 센서의 평탄도를 유지하기에 용이한 장점이 있다. 또한 후속되는 CMP와 같은 평탄화 공정 시간을 줄일 수 있으며, 내열성 지그(101)의 경우, 세정 공정을 수행한 후 지속적으로 재사용이 가능한 장점도 존재한다.
이렇게 제조된 초음파 압전 센서 어레이는, 반도체 테스트용 프로브를 사용하여 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계를 거칠 수 있으며, 상기 반도체 테스트용 프로브 외에도 도 10와 같이 센서 어레이의 상부 및 하부에 형성된 전극들을 각각에 전기 전도성이 우수한 금속이 코팅된 분극 전극(300)을 위치시키고, 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계를 거치는 것도 가능하다.
이러한 은이 코팅된 분극 전극을 사용할 경우에는 약 30분 정도의 시간동안 250~400V의 전압의 가하여 수행될 수 있는데, 은 외에도 다른 전도성이 높은 금속을 전해도금 방식으로 코팅한 분극 전극을 사용하는 것도 가능하다. 분극 전극을 사용한 폴링단계를 통해 상기 센서 어레이를 구성하는 전도성 필러의 로드(ROD)별로 분극 시킬 수 있다.
[실험예] 압전 로드의 형성방법에 따른 불량 측정
분말화시킨 압전 물질을 사용하여 기존의 출원인의 선출원된 특허(특허출원번호 제10-2017-0153501호)에 제시된 분사-가압공정을 통해 압전 로드를 제조하여 얻어진 압전 로드를 비교예로 제조하였으며, 그 결과를 도 11에 제시하였다. 구체적인 제조 과정은 출원인의 선출원된 명세서에 제시되어 있으므로, 여기서는 간단히 설명하고자 한다.
복수의 홀이 형성된 실리콘 몰드에 압전 물질로 티타늄, 지르코늄, 및 납(이하, PZT)을 사용하여 압전 로드를 제조하였다. 도 11에 제시된 비교예는, PZT를 평균 입자 크기가 55 ㎛가 되도록 분쇄하여 분말화시킨 후, 분말화된 PZT를 몰드 상에 3 ㎫ 공기 압력을 가하여 건식 분사하였다. 그 후, 아크릴계 접착제와 아세톤을 혼합한 접착 용액을 액상 분사한 후, 가압 챔버에 넣어 질소 분위기 하에서 7 ㎫ 압력을 가하였다. 상기 건식 분사, 액상 분사, 가압을 총 3회 반복하여 몰드 상에 압전 물질을 완전히 충진하였다. 그 후, 900 ℃에서 25 분간 가열하여 압전 물질을 소결하여 압전 로드를 제조하였다.
상기 도 11에서 확인되듯이, 전체적으로 몰드의 패턴 내부로 압전 물질들이 효과적으로 충진되었으나, 형성된 압전 로드 중간에 빈 공간이 다수 발견되는 등 압전 물질의 충진 밀도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 동일한 재료와 몰드 패턴에 대해 앞서 살펴본 스프레이 방식을 포함하는 원심 패턴 충진 장치(10A)를 사용하여 제조된 압전 로드의 형태를 SEM으로 관찰한 결과이고 도 13는 압력 조절수단(5)이 구비된 원심 패턴 충진 장치(10B)를 통해 제조된 압전 로드를 SEM으로 관찰한 결과이다.
상기 도 12와 도 13에서 확인되듯이, 각각의 경우 모두 도 11의 기존의 방식으로 제조된 압전 로드에 비해 충진 밀도가 향상된 것을 확인할 수 있는데, 도 11과 비교하여 볼때 압전 로드 중간에 빈 공간이 현저하게 감소하였음을 알 수 있으며, 특히 로드 셀(5B)을 통해 추가 압력이 부여된, 압력 조절수단(5)이 구비된 원심 패턴 충진 장치(10B)의 경우(도 13 참조)에는 압전물질의 충진 밀도가 더 높아짐을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명과 같이 압전 센서의 제조 과정 중에서, 압전 물질을 포함하는 슬러리를 사용하여 원심력을 이용한 패턴 충진 공정을 통해 압전 로드를 제조함으로써, 제조된 압전 로드의 불량률을 현저히 저감시켜 압전 센서의 생산 수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 압전 로드의 높은 충진 밀도로 인해 압전 센서의 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지에 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 압전 센서의 생산 수율을 향상시키기 위하여 압전 물질을 포함하는 슬러리를 가압 조건으로 밀폐된 지그 내에 몰드와 함께 위치시킨 후, 원심력을 통해 몰드에 형성된 패턴 내부로 슬러리에 포함된 압전 물질을 충진시킴으로써, 분사단계와 가압단계를 동시에 수행하여 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 제공하기 위한 것으로, 압전 센서를 구성하는 압전 로드들이 초음파 압전 센서 어레이를 형성하도록 미세 가공이 수행되는 과정 중에서, 긴 종횡비(aspect ratio)를 갖는 압전 로드들이 쓰러지지 않도록 지지해줌으로써, 후속 공정을 거쳐 제조되는 초음파 지문 인식 센서의 불량률을 최소화할 수 있는 효과가 존재하므로, 산업상 이용가능성이 존재한다.

Claims (14)

  1. 원주 중공 구조로 형성된 본체(1);
    상기 본체 하부에 위치하고, 본체와 기계적으로 연결된 회전 모터(2);
    상기 본체 내주면의 표면에 지그(Jig, 3)가 고정되는 장착부(4); 및
    상기 본체의 중심부에는, 복수의 홀(7B)이 형성된 원기둥 형태의 노즐부(7A);를 포함하고,
    상기 지그(3)는, 패턴이 형성된 몰드(100)가 고정되는 바닥부를 포함하며,
    상기 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 회전하면서, 상기 노즐부(7A)로 부터 압전 물질(151)이 포함된 슬러리(152)가 방사상으로 분사되어, 지그(3)에 고정된 몰드(100)의 패턴 내부로 슬러리에 포함된 압전 물질(151)이 충진되는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀(7B)은, 원기둥 형태의 노즐부(7A)의 외주면에 약 10°의 간격으로 형성되고,
    형성된 홀(7B)들의 사이는 약 2~5㎜의 범위로 이격되는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  3. 원주 중공 구조로 형성된 본체(1);
    상기 본체 하부에 위치하고, 본체와 기계적으로 연결된 회전 모터(2); 및
    상기 본체 내주면의 표면에 지그(Jig, 3)가 고정되는 장착부(4);를 포함하고,
    상기 지그(3)는, 결합되어 밀폐된 내부를 형성하도록, 뚜껑부(6), 몸통부(8) 및 바닥부(9)를 포함하여, 패턴이 형성된 몰드(100)가 바닥부(9)에 고정되고, 상기 몰드(100)의 위로 압전 물질(151)을 포함하는 슬러리(152)가 채워지고, 슬러리(152)의 위로 압력을 가해줄 수 있는 압력 조절 수단(5)이 위치하며,
    상기 압력 조절 수단(5)과 몰드(100)의 사이에는, 스페이서 부재(5A)가 위치하여, 상기 회전 모터(2)의 회전에 의해 본체(1)가 회전함에 따라, 원심력과 압력 조절 수단(5)에 기인하는 압력으로 인해 지그(3)의 바닥부(9)에 위치하는 몰드(100)의 패턴 내부로 슬러리(152)에 포함된 압전 물질(151)이 충진되는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력 조절 수단(5)은, 뚜껑부(6)에 형성되는 압력조절 밸브(5D) 및/또는 스페이서 부재(5A)의 위에 위치하는 로드 셀(5B)인 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 로드 셀(5B)의 외주면에는 밀폐 부재(5C)가 위치하여, 회전시 슬러리(152)가 지그(3)의 내부에서도 로드 셀(5B)의 아래쪽에 위치하도록 제한하는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서 부재(5A)는, 다공성 구조를 갖는 발포 폼(foam)으로 이루어져 내부에 슬러리(152)가 채워지고, 몰드(100)에 가해지는 압력을 고르게 분산시키는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬러리(152)에 포함된 압전 물질(151)은, PZT(PbZrTiO3)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 합화물로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몰드(100)는, 실리콘 기판이 식각되어 형성된 패턴을 포함하되,
    몰드(100)의 패턴은 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 원심 패턴 충진 장치.
  9. 실리콘 기판을 식각하여 베이스(100b), 가장자리부(100a), 기둥부(100c) 및 복수의 홀(100d)을 포함하는 몰드(100)를 형성하는 단계;
    상기 복수의 홀(100d)에 압전 물질(151)을 충진하여 압전 로드(155)들을 형성하는 단계;
    상기 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 포함하고,
    압전 로드(155)들을 형성하는 단계는, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 원심 패턴 충진 장치(10)를 사용하여, 원심력으로 슬러리(152) 내에 포함된 압전 물질(151)을 몰드(100)의 패턴 내부로 충진시키는 것을 특징으로 하는, 초음파 압전 센서의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압전 로드(155)들을 형성하는 단계는,
    상기 지그(3)의 내부 바닥부(9)에 패턴이 형성된 몰드(100)를 고정하는 단계;
    상기 지그(3)의 내부로 압전 물질(151)이 포함된 슬러리를 공급하는 단계;
    뚜껑부(6)에 형성된 압력 조절 수단(5)을 사용하여 지그 내부의 압력을 높여주는 단계;
    회전 모터(2)가 작동하여, 지그(3)가 고정된 장착부(4)를 포함하는 본체(1)를 회전시키는 단계; 및
    몰드(100)를 가열하여 압전 물질(151)을 소결시키는 소결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 압전 센서의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    압력 조절 수단(5)을 사용하여 지그 내부 압력을 약 3 ~ 20 ㎫의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는, 초음파 압전 센서의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 압전 센서 어레이를 제조하는 단계 후에,
    상기 초음파 압전 센서 어레이 상의 동일한 열에 배치된 복수의 압전 소자의 상부 전극과 하부 전극 각각에 전도성 금속이 코팅된 분극 전극을 위치시키고, 동시에 전압을 가하여 분극 처리하는 폴링(Poling treatment)단계;를 더 포함하는, 초음파 압전 센서의 제조방법.
  13. 제9항에 기재된 제조방법으로 제조된 초음파 압전 센서.
  14. 제13항에 기재된 초음파 압전 센서를 포함하는 초음파 지문 센서
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