KR100737405B1

KR100737405B1 - 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법

Info

Publication number: KR100737405B1
Application number: KR1020060001477A
Authority: KR
Inventors: 이광철; 권휴상
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-07-09

Abstract

본 발명은 50 ㎛ 이상의 두께를 갖는 단결정 실리콘을 백플레이트로서 사용하여 우수한 음향특성을 가지는 MEMS 용량형 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, (i)멤브레인 기판(1)의 제조단계와 (ii)백플레이트 기판(2)의 제조단계; (iii) 멤브레인 기판(1)상의 접합층(3)을 이용하여 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)을 접합하는 단계(S300); 및 (iv) 백플레이트 전극과 멤브레인 기판(1)의 와이어 본딩용 패드를 연결하는 단계(S310);가 제공된다.

MEMS, 용량형 마이크로폰, 백플레이트, 실리콘, 고종횡비 건식식각, 금-주석 공융점, 접합

Description

초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법{Manufacturing Method of Micromachined Silicon Condenser Microphone }

도 1은 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 평면도,

도 2는 도 1중 A-A 선을 따른 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰중 멤브레인 기판(1)의 제조과정을 공정별로 도시한 단면도,

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰중 백플레이트 기판(2)의 제조과정을 공정별로 도시한 단면도,

도 5는 도 3에 의해 완성된 멤브레인 기판(1)과 도 4에 의해 완성된 백플레이트 기판(2)을 접합하여 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰을 완성한 상태의 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 ; 멤브레인 기판,

2 : 백플레이트 기판,

3 : 금-주석 접합층,

10 : 저응력 실리콘 질화막 멤브레인,

11 : 멤브레인 전극,

21 : 백플레이트 전극,

22 : 음향구멍,

23 : 슬롯,

30 : 공기층,

41 : 실리콘 기판,

42 : 저응력 실리콘 질화막,

45 : 젖음층,

47 : 뒷면전극,

51 : 실리콘 기판,

52 : 산화막,

53 : 질화막,

60 : 백플레이트 두께,

70 : 백플레이트 식각깊이.

본 발명은 MEMS(Microelectromechanical systems) 기술을 이용하여 제작하는초소형 실리콘 용량형 마이크로폰(condenser microphone)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 50 ㎛ 이상의 두께를 갖는 단결정 실리콘을 백플레이트로서 사용하여 우수한 음향특성을 가지는 MEMS 용량형 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적인 기계가공기술을 이용하여 제조되는 용량형 마이크로폰은 음장 측정 등 정밀 계측용 및 스튜디오 마이크로폰 등에서 널리 사용되고 있다. 이러한 마이크로폰은 주파수 특성 등 음향 특성이 우수하나 가공 기술의 한계로 인하여 저가, 소형화를 실현하기가 어려우며 신호처리기능 등 부가기능을 구현하기가 어렵다.

또한 휴대폰, PDA, 보청기 등의 응용분야에서는 보다 작고 성능이 우수한 마이크로폰을 요구하고 있다. 이러한 응용분야에서는 고분자막을 이용하는 저가의 일렉트렛(electret) 마이크로폰이 대부분 사용되어 왔다. 이러한 일렉트렛 마이크로폰은 저가이지만 소형화에 제한을 가지고 있으며 신호처리회로와의 집적화가 어려운 단점을 가지고 있다. 그러므로 MEMS 기술을 이용하여 휴대폰 등 핸드헬드 응용분야, 보청기, 가전제품 뿐 아니라 정밀계측용 및 스튜디오 마이크로폰을 개발하고자 하는 연구가 지속되어 왔다.

예를 들어, MEMS 기술을 이용하여 제작되는 대부분의 용량형 마이크로폰은 두께 10 ㎛ 이하의 얇은 박막을 백플레이트(Backplate)로 사용하고 있다. (예: 1. W. H. Hsieh, T.-J. Yao, and Y.-C. Tai, "A High Performance MEMS Thinf-film Teflon Electret Microphone", Transducers'99, pp. 1064-1067, 1999. 또한 2. D. T. Martin, K. Kadirvel, J. Liu, R. M. Fox, M. Sheplak, and T. Nishida, "Surface and Bulk Micromachined Dual Back-Plate Condenser Microphone", MEMS'05, pp. 319-322, 2005.).

이러한 통상적인 MEMS 용량형 마이크로폰은 백플레이트 공진 등으로 인한 문제점이 발생하며 이로 인하여 넓은 주파수 영역에서 사용할 수 없고, 사용 가능한 주파수 영역 및 음향 특성이 저하되는 단점을 가지고 있다. 그러므로 두꺼운 백플레이트를 제조하여 MEMS 용량형 마이크로폰의 성능을 개선시키기 위한 많은 노력이 있어 왔다. 단일 기판을 이용하여 두꺼운 백플레이트를 제작하기 위해서는 에피택셜 성장 (epitaxial growth), 또는 SOI(Silicon on insulator) 기판과 같은 공정 기술을 사용하여야 하나 이러한 제조 방법은 고가이며 복잡하여 제조 수율이 낮아지는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은, 50 ㎛ 이상의 두꺼운 백플레이트를 가지는 음향특성이 우수한 MEMS 용량형 마이크로폰 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 저가, 고감도, 넓은 주파수 영역 등 우수한 음향 특성을 가지는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, (i-1)실리콘 기판(41) 상에 실리콘 질화막(42)을 증착하는 단계(S100);

(i-2) 실리콘 기판(41)의 일면을 식각하여 실리콘 질화막 멤브레인(10)을 제조하는 단계(S110);

(i-3) 실리콘 기판(41)의 타면에 멤브레인 전극(11)과 접합을 위한 젖음층(45)을 성막하는 단계(S120);

(i-4) 젖음층(45) 상에 접합층(3)을 형성하는 단계(S130); 및

(i-5) 실리콘 기판(41)의 일면에 차폐를 위한 뒷면전극(47)을 증착하는 단계(S140)로 이루어지는 멤브레인 기판(1)의 제조단계;

(ii-1) 멤브레인 기판(1)의 제조단계와 병행하여, 또 다른 실리콘 기판(51)의 양면에 산화막(52)과 질화막(53)을 성막하는 단계(S200);

(ii-2) 실리콘 기판(51)의 일면을 식각하여 소정의 백플레이트 두께(60)를 형성하는 단계(S210);

(ii-3) 실리콘 기판(51)의 타면을 식각하여 소정의 공기층(30) 두께를 형성하는 단계(S220);

(ii-4)전기적 절연을 위하여 실리콘 기판(51)의 양면에 산화막(52)을 형성하는 단계(S230);

(ii-5) 산화막(52)상에 백플레이트 전극(21)을 증착하는 단계(S240);

(ii-6)소정의 음향구멍(22)과 슬롯(23)을 식각하는 단계(S250)로 이루어지는 백플레이트 기판(2)의 제조단계;

(iii) 멤브레인 기판(1)상의 접합층(3)을 이용하여 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)을 접합하는 단계(S300); 및

(iv) 백플레이트 전극과 멤브레인 기판(1)의 와이어 본딩용 패드를 연결하는 단계(S310);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 접합층(3)은 금-주석층인 것이 바람직하고, 접합층(3)의 접합은 금- 주석층의 공융점 온도 이상에서 실시되는 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 백플레이트 기판(2)의 음향구멍(22) 및 슬롯(23)은 고종횡비 실리콘 식각에 의하여 수직형상으로 제조되는 것이 가장 바람직하다.

또한, 증착단계(S100)에서의 실리콘 질화막(42)은 저응력 실리콘 질화막을 저압화학기상증착법에 의하여 증착되는 것이 적합할 수 있다.

아울러, 성막단계(S120)의 멤브레인 전극(11)과 젖음층(45)은,

실리콘 질화막 멤브레인(10)상에 멤브레인 전극(11)이 되는 크롬 박막을 형성하는 단계(S121); 및

크롬 박막상에 와이어 본딩을 위한 패드 및 Au/Ni/Cr을 이용하여 젖음층(45)을 형성하는 단계(S123);로 구성되는 것이 가능하다.

그리고, 접합층 형성단계(S130)에서의 접합층(3)은 전자빔 증착법에 의해 형성될 수 있다.

또한, 성막단계(S200)에서의 실리콘 기판(51)은 50 ㎛ 이상의 두께를 갖는 단결정 실리콘인 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 본 발명의 또 다른 카테고리로서, 앞서 설명한 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 마이크로폰의 구성에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 평면도이고, 도 2는 도 1중 A-A 선을 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 용량형 마이크로폰은 크게 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)으로 이루어진다.

멤브레인 기판(1)에는 저응력 실리콘 질화막 멤브레인(10)과 멤브레인 전극(11), 젖음층(45) 등이 구비되고, 백플레이트 기판(2)에는 질화막(53), 산화막(52), 백플레이트 전극(21), 음향구멍(22), 슬롯(23) 등이 구비된다. 특히 음향구멍(Acoustic holes, 22)과 슬롯(23)은 공기 흐름 감쇄를 제어하기 위한 것이다. 이러한 음향구멍(22) 및 슬롯(23)은 고종횡비 실리콘 건식 식각(Silicon Deep Reactive Ion Etching)에 의하여 수직형상으로 제조된다. 음향구멍(22)의 형상과 배치는 멤브레인(10)의 기계적 감쇄에 영향을 미치며 멤브레인(10)의 공진으로 인한 진폭을 감쇄시켜 고주파에서의 평탄한 주파수 특성을 보이도록 설계된다. 슬롯(23)은 공기층(30)에서의 감쇄를 조절하며 백플레이트의 크기를 결정하는 역할을 한다.

그리고, 이러한 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2) 사이에는 양자를 접합하기 위한 접합층(3)이 형성된다. 즉, 각각 공정이 완료된 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)은 금-주석 접합층(3)에 의하여 접합된다. 이때 두 기판 사이의 접합은 금-주석 합금의 공융점을 이용한 공융점 접합 (Au/Sn Eutectic Bonding)으로 이루어진다.

멤브레인 전극(11)과 백플레이트 전극(21)사이의 공기층(airgap, 30)의 두께는 백플레이트 식각 깊이(70)와 금-주석 접합층(3)두께의 합으로 결정된다. 백플레이트 두께(60)는 백플레이트 기판 뒷면 및 앞면 식각 시간에 의하여 결정된다.

또한 멤브레인 기판(1)에 형성되어 있는 멤브레인 전극(11)과 백플레이트 패드는 슬롯(23)을 통하여 외부에서 보이도록 되어있다. 전극과의 연결은 와이어 본딩을 이용하여 슬롯을 통하여 외부와 연결되도록 한다.

이와 같은 마이크로폰은 대략 다음과 같은 공정에 의해 제조된다. 즉, 멤브레인(10) 및 금-주석 합금의 접합층(3)을 가지는 멤브레인 기판(1)을 제작하고 별개의 기판을 이용하여 백플레이트, 음향 구멍(22), 공기층(30)을 가지는 백플레이트 기판(2)을 제조한다. 그 다음, 금-주석 합금의 공융점을 이용하여 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)을 결합한다.

본 발명에서 제시하는 용량형 마이크로폰은 별개의 공정을 이용하여 각각 제작한 멤브레인 기판(1) 및 백플레이트 기판(2)을 접합함으로서 이루어진다. 그리고, 백플레이트 기판(2)에 형성된 백플레이트 전극은 멤브레인 기판(1)에 형성된 전극 패드와 금-주석 합금의 접합층(3)을 통하여 전기적으로 연결된다. 또한 백플레이트 전극 및 멤브레인 전극은 백플레이트 기판(2)에 형성된 슬롯(23)을 통하여 와이어 본딩을 이용하여 연결한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이 크로폰의 제조과정에 대해 상세히 설명한다. 우선, 본 발명에 따른 멤브레인 기판(1)의 제조과정에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰중 멤브레인 기판(1)의 제조과정을 공정별로 도시한 단면도이다.

도3a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(41)의 양면에 멤브레인으로 사용할 저응력 실리콘 질화막(42)(low stress SiN)을 저압화학기상증착방법(LPCVD)을 이용하여 증착한다(S100).

그 다음, 실리콘 기판(41)의 뒷면을 식각하여 저응력 실리콘 질화막 멤브레인(10)을 제조한다(S110). 이후 멤브레인 기판 전면에 멤브레인 전극(11) 및 금-주석 용융점 접합을 위한 젖음층(45)(wetting layer)을 형성한다(S120). 멤브레인 전극(11)은 두 단계 사진 식각 공정을 이용하여 제조된다. 먼저 멤브레인위에 멤브레인 전극으로서 Cr을 얇게 형성한다. 이후 와이어 본딩을 위한 패드 및 젖음층(45)을 Au/Ni/Cr을 이용하여 형성한다.

그 다음, 기판 접합을 위한 금-주석 접합층(3)을 전자빔 증착방법을 이용하여 형성한다(S130). 앞면 공정이 완료된 후 멤브레인 기판 뒷면에 전극(47)을 전면에 증착한다(S140). 이러한 뒷면전극(47)은 멤브레인 전극으로 사용되며 마이크로폰을 금속 패키지와 함께 도전층으로 둘러싸게 되어 전자파 간섭으로 인한 외부 노이즈를 제거하는 역할을 한다. 이와 같은 과정을 통해 멤브레인 기판(1)의 제조가 완료된다.

이하에서는 백플레이트 기판(2)의 제조과정에 대해 설명하기로 한다. 도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰중 백플레이트 기판(2)의 제조과정을 공정별로 도시한 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 실리콘 기판(51)에 절연층으로서 산화막(52) 및 질화막(53)을 형성한다(S200). 이후 뒷면 실리콘을 식각하여 원하는 백플레이트 두께(60)가 형성되도록 한다(S210).

그 다음, 앞면 실리콘을 식각(70)하여 원하는 공기층(30) 두께가 형성되도록 한다(S220). 그리고 전기적 절연을 위하여 기판 전면에 산화막(52)을 형성한다(S230). 이후, 백플레이트 전극(21) 및 기판 접합을 위한 젖음층을 증착한다(S240). 그리고 음향구멍(22) 및 슬롯(23)을 공종횡비 실리콘 건식식각을 이용하여 제조한다(S250). 이와 같은 과정을 통해 백플레이트 기판(2)이 완성된다

도 5는 도 3에 의해 완성된 멤브레인 기판(1)과 도 4에 의해 완성된 백플레이트 기판(2)을 접합하여 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰을 완성한 상태의 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 제조한 멤브레인 기판(1)과 백플레이트 기판(2)은 서로 정렬한 후 금-주석 합금의 공융점온도에서 접합층(3)을 이용하여 접합을 실시하게 된다(S300). 접합이 완료된 후 백플레이트 기판(2)에 형성된 백플레이트 전극(21)은 금-주석 접합층(3)을 통하여 멤브레인 기판에 형성되어 있는 와이어 본딩용 패드와 전기적으로 연결된다(S310). 이와 같은 과정을 통해 본 발명에 따른 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조가 완료된다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 두꺼운 백플레이트, 수직 형상의 음향구멍, 슬롯 등을 자유롭게 형성하여 주파수 특성과 같은 음향특성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다. 또한 멤브레인 기판과 두꺼운 백플레이트 기판을 각각 제조함으로서 단일 기판에서 제조하는 마이크로폰에 비하여 공정 방법이 단순하고 공정 수율이 증가하는 장점을 가지고 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims

(i-1)실리콘 기판(41) 상에 실리콘 질화막(42)을 증착하는 단계(S100);

(i-2)상기 실리콘 기판(41)의 일면을 식각하여 실리콘 질화막 멤브레인(10)을 제조하는 단계(S110);

(i-3)상기 실리콘 기판(41)의 타면에 멤브레인 전극(11)과 접합을 위한 젖음층(45)을 성막하는 단계(S120);

(i-4)상기 젖음층(45) 상에 접합층(3)을 형성하는 단계(S130); 및

(i-5)상기 실리콘 기판(41)의 일면에 차폐를 위한 뒷면전극(47)을 증착하는 단계(S140)로 이루어지는 멤브레인 기판(1)의 제조단계;

(ii-1)상기 멤브레인 기판(1)의 제조단계와 병행하여, 또 다른 실리콘 기판(51)의 양면에 산화막(52)과 질화막(53)을 성막하는 단계(S200);

(ii-2)상기 실리콘 기판(51)의 일면을 식각하여 소정의 백플레이트 두께(60)를 형성하는 단계(S210);

(ii-3)상기 실리콘 기판(51)의 타면을 식각하여 소정의 공기층(30) 두께를 형성하는 단계(S220);

(ii-4)전기적 절연을 위하여 상기 실리콘 기판(51)의 양면에 산화막(52)을 형성하는 단계(S230);

(ii-5)상기 산화막(52)상에 백플레이트 전극(21)을 증착하는 단계(S240);

(ii-6)소정의 음향구멍(22)과 슬롯(23)을 식각하는 단계(S250)로 이루어지는 백플레이트 기판(2)의 제조단계;

(iii) 상기 멤브레인 기판(1)상의 접합층(3)을 이용하여 상기 멤브레인 기판(1)과 상기 백플레이트 기판(2)을 접합하는 단계(S300); 및

(iv) 상기 백플레이트 전극과 멤브레인 기판(1)의 와이어 본딩용 패드를 연결하는 단계(S310);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 접합층(3)은 금-주석층인 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 접합층(3)의 접합은 상기 금-주석층의 공융점 온도 이상에서 실시되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 백플레이트 기판(2)의 음향구멍(22) 및 슬롯(23)은 고종횡비 실리콘 식각에 의하여 수직형상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 증착단계(S100)에서의 실리콘 질화막(42)은 저응력 실리콘 질화막을 저압화학기상증착법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 성막단계(S120)의 멤브레인 전극(11)과 젖음층(45)은,

상기 실리콘 질화막 멤브레인(10)상에 멤브레인 전극(11)이 되는 크롬 박막을 형성하는 단계(S121); 및

상기 크롬 박막상에 와이어 본딩을 위한 패드 및 Au/Ni/Cr을 이용하여 젖음층(45)을 형성하는 단계(S123);로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 접합층 형성단계(S130)에서의 접합층(3)은 전자빔 증착법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 성막단계(S200)에서의 실리콘 기판(51)은 50 ㎛ 이상의 두께를 갖는 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 초소형 실리콘 용량형 마이크로폰의 제조방법.
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