JP4126004B2

JP4126004B2 - フレキシブルｍｅｍｓトランスデューサの製作方法

Info

Publication number: JP4126004B2
Application number: JP2003336289A
Authority: JP
Inventors: 潤宇南; 錫漢李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: US7151057B2; CN1262470C; US20040147132A1; DE60313715D1; KR100512988B1; EP1403214A2; DE60313715T2; EP1403214A3; EP1403214B1; CN1517295A; JP2004120764A; KR20040026758A

Description

本発明はＭＥＭＳトランスデューサの製作方法に関し、特に、フレキシブルな基板上に形成されるＭＥＭＳトンランスデューサーの製作方法に関する。

微細装置に対する、必要に応じて微細装置の集積化のためにマイクロマシニングを用いた半導体加工技術が使用される。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）は、特に集積回路技術を応用したマイクロマシニング技術を用いてμm単位の超小型センサやアクチュエータ及び電気機械的構造物を製作実験する分野である。
ＭＥＭＳで使われるマイクロマシニング技術は、大きく２つに分類できる。１つは、シリコンバルクエッチング（bulk etching）によるバルクマイクロマシニングである。もう１つは、シリコン上に多結晶シリコン、シリコン窒化膜及び酸化膜などを蒸着し、設計された形状に従ってエッチングして構造物を制作する表面マイクロマシニングである。ＭＥＭＳ工程で製造される超小型マイクロホンは、バルクマイクロマシニング工程を用いて形成したダイアフラムトランスデューサを用いて達成される。

図１は、従来のＭＥＭＳトランスデューサを示す断面図であり、図示されるようにシリコンウェハ（Ｓｉ）上にシリコン窒化物（Silicon Nitrade）のダイアフラム層、ＣＶＤ工程により積層されたSiO２層、酸化亜鉛圧電フィルム（ZnO）及び上/下部電極から構成される。シリコンウェハ上にシリコン窒化物薄膜及び酸化物層を形成するＣＶＤ工程は、工程の温度が７８０℃〜８５０℃程度の高温で行なう。よって、シリコンウェハ以外に柔軟性を持つポリマー材質は基板として採用できない。

一方、情報通信産業の発達などによってハンドヘルド（hand held）またはウェアラブル（wearable）型情報端末機の需要が急増しつつある。情報通信分野のみならず医療、サービス、娯楽、及び軍事用などのその応用範囲が多様になっている。このような端末機利用の便利性のために、部品の移動性及び着用性が改善されなければならない。特に、ウェアラブルシステムを具現するためには、フレキシブルなシステム構造が必須的である。従って柔軟な基板上に機能性構造物及びその他の電気的部品を一緒に集積する技術が必要とされる。

フレキシブルな基板としては金属薄膜または高分子類の材料が使われるが、電子システムにおいては高分子材料がより適している。しかし、高分子材料は５００℃以下の低温度にて溶けるので、高分子材料上に形成する薄膜製作工程の温度が高い場合、高分子材質に致命的である。よって、ＭＥＭＳ製作工程にて高分子材料が溶ける温度以上の温度が必要とされる時には、基板として高分子材質を使用することができない。ところが、一般に使用される性能と集積面において優れているシリコンＭＥＭＳ工程及び半導体工程は、主に５００℃以上の高温工程で行なうので、フレキシブルなシステム構造のために必要な高分子ポリマー材質の基板が採用できない。

つまり、従来のＭＥＭＳ構造物は基板上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）工程で薄膜を蒸着し、これをエッチングして構造物を形成している。ところが、ＣＶＤ工程を用いて実用性の高い薄膜を制作する時は、高温が必要とされることにより、ポリマーグラスなどの低融点の基板が使用できない。
かかる問題を克服するため、特許文献１は図２に図示されているようにシリコン基板１０にシリコンＭＥＭＳ工程を用いてセンサデバイス３０を制作した後、シリコン基板１０の裏面からシリコンーアイランド（Si―Island）との間をカットし、ポリマー１１を蒸着して柔軟性を与えている。しかし、かかる方法であると、従来のシリコンＭＥＭＳ工程をそのまま使い高温工程がそのまま適用されることになる。最終にはポリマー工程を加え工程が複雑になり、単価が高くなるという短所を持つ。
米国登録特許６、０７１、８１９

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的はＰＥＣＶＤ工程を用いてフレキシブルなポリマー基板上にＭＥＭＳトランスデューサ構造物を形成することによって、柔軟性、曲り性、折れ性を有するマイクロホンを製作することにある。

前述した目的に従って本発明は、高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップ；犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層、下部電極層、共振周波数１Ｈｚ〜１００ｋＨｚであり圧電ポリマーで形成された活性層、上部電極層の順に積層するステップ；上部電極層、前記活性層、前記下部電極層の順にパターニングするステップ；上部電極層、下部電極層、及び活性層を覆うよう上部保護層を積層するステップ；下部電極層と上部電極層に接続されることができるよう前記上部保護層をパターニングした後、接続パッド層を積層し前記下部電極層に接続される第１の接続パッドと前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッドが形成されるよう前記接続パッド層をパターニングするステップ；犠牲層が現れるよう前記メンブレン層をパターニングしてから犠牲層を除去するステップ：を含むフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法を提供する。

前記基板は、ポリイミドのようなフレキシブルな高分子物質を素材にすることが好ましい。
前記基板上にシリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかを、その厚さが１０μm以下になるよう被膜して形成された下部保護層を更に含むことが好ましい。
前記犠牲層を形成するステップは、基板上にポリイミドをその厚さが１０μm以下になるようにコーティングし、設定されたメンブレン層の形状に応じて湿式あるいは乾式エッチングによってパターニングすることが好ましい。

前記メンブレン層は、シリコン窒化物をその厚さが５μm以下になるようＰＥＣＶＤ工程で蒸着して形成することが好ましい。
前記上部電極層及び前記下部電極層は、金属または伝導性ポリマーのいずれかを、その厚さが０．０１〜５μmになるよう形成することが好ましい。
前記活性層は、共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚになるようＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polyimid、Nylonのような圧電ポリマーをその厚さが１〜１０μmになるようスピンコーティングまたは蒸着工程を用いて蒸着することが好ましい。

前記メンブレン層パターニングステップにおいては乾式エッチング方法を用いることが好ましく、前記活性層パターニングステップにおいては乾式または湿式エッチング方法でパターニングすることが好ましい。
前記上部保護層の積層ステップは、ＰＥＣＶＤ工程でシリコン室化物、シリコン酸化物のうちいずれかをその厚さが１０μm以下になるよう蒸着し、上部保護層パターニングステップにては湿式または乾式エッチング方法を用いることが好ましい。

本発明によれば、トランスデューサ構造物を低温工程で製作することが可能になり、フレキシブルポリマー基板が採用可能となる。従って、簡単な工程で集積度、移動性、柔軟性、折れ性及び着用性が優れたフレキシブルマイクロホンのシステムを、低温及び低コストで製作できる。

以下、添付図面を参照して本発明を詳説する。

図３には、本発明に係るダイアフラムタイプのフレキシブルトランスデューサの端面が示されている。図４には、カンチレバータイプのトランスデューサの端面が示されている。図３及び図４のように、本発明の一実施例に係るトランスデューサは、ＰＥＣＶＤまたはスパッタリング工程で、シリコン窒化物またはシリコン酸化物のうちいずれの１つを蒸着して形成された下部保護層１１０がコーティングされたフレキシブル基板１００、低温工程のＰＥＣＶＤ工程により形成されるメンブレン層２２０、下部電極層２３０、圧電ポリマー活性層２４０、上部電極層２５０、接続端子２７１、２７２を含むトランスデューサ構造物を含む。

ダイアフラムタイプまたはカンチレバータイプのトランスデューサは、前記メンブレン層２２０の浮上部を形成するために、基板１００上に犠牲層を形成した後、犠牲層上にメンブレン層２３０を蒸着させた後、犠牲層をエッチング液で除去する方法を使用する。犠牲層除去時に、カンチレバータイプの場合は一側がオープンされているのでオープンされた側に犠牲層を除去する。ダイアフラムタイプの場合は、メンブレン層２２０の浮上部に所定の通穴をエッチング形成し、通穴を介してエッチング液を注入してから犠牲層を除去する。

図５ａないし図５ｊは、発明に係るカンチレバータイプのフレキシブルトランスデューサの製作工程の一実施例を順に示した図面である。図示されるトランスデューサは、カンチレバータイプのトランスデューサである。以下では、図５ａないし５ｊを参照し、カンチレバータイプのトランスデューサを例に挙げて詳説する。
図５ａに図示されているように、フレキシブルトランスデューサの製作工程はフレキシブル基板１００に下部保護層１１０をコーティングすることから始まる。フレキシブル基板１００には、ポリマーやポリイミドのような高分子材料、及び金属薄膜のようにフレキシブルな性質を有する材質が用いられる。マイクロホンのような電子システムには高分子系列の材料が好ましい。下部保護層１１０は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）またはスパッタリング（Sputtering）工程によりシリコン室化物またはシリコン酸化物を積層することで形成される。好ましくは、下部保護層１１０の厚さは１０μm以下にする。ＰＥＣＶＤまたはスパッタリング工程で行なうと４００℃以下の低温度工程が可能になる。下部保護層１１０は基板１００を保護し、積層される層の付着力を増進させる。

図５ｂのように、下部保護層１１０が形成された基板１００上には、浮上部を有するメンブレン層の形状を形成するための犠牲層２１０が積層される。犠牲層２１０はポリイミドを１０μm以下の厚さでコーティングした後、設計されたメンブレン層の形状に応じてパターニングして形成する。
図５ｃのように、パターニングされた犠牲層２１０上にメンブレン層２２０を積層する。メンブレン層２２０は、低温工程のためにＰＥＣＶＤ工程によりシリコン窒化物を積層して形成する。好ましくはメンブレン層２２０の厚さは５μm以下にする。メンブレン層２２０上には下部電極層２３０が蒸着され、下部電極層上には活性層２４０がコーティングされる。活性層２４０は、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polyimid、Nylonなどの圧電ポリマーをスピンコーティングまたは蒸着工程でコーティングして形成する。好ましくは、活性層２４０の厚さは１〜１０μmであり、その長さは例えば５０〜１０００μmである。さらに活性層２４０は、共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。前記圧電ポリマー上には、上部電極層２５０を蒸着する。下部電極層２３０及び上部電極層２５０はアルミニウムなどの金属または伝導性ポリマーを蒸着して形成する。好ましくは、上部電極層２５０と下部電極層２３０の厚さは０．０１〜５μmにする。

図５ｄに図示されたように、前記上部電極層２５０と活性層２４０とを湿式または乾式エッチング方法によってパターニングした後、図５ｅのように下部電極層２３０を湿式または乾式エッチング方法でパターニングする。
そして、犠牲層２１０をエッチングによって除去する時に圧電ポリマー活性層２４０を保護する目的で、上部保護層２６０を形成する。図５ｆのように、上/下電極層２３０、２５０と活性層２４０すべてを覆うように、ＰＥＣＶＤ工程でシリコン窒化物またはシリコン酸化物を１〜１０μmの厚さで蒸着し、図５ｇのように湿式または乾式エッチング方法でパターニングして上部保護層２６０を形成する。上部保護層２６０を形成した後、前記上/下電極層２３０、２５０にそれぞれ電気的に接続される接続パッド２７１、２７２を形成する。接続パッド２７１、２７２は、上/下電極層２３０、２５０にそれぞれ連結できる位置の上部保護層２６０を湿式または乾式エッチング方法でパターニングした後、図５ｈのようにアルミニウムなどの金属または伝導性ポリマーを積層して形成される。

そして、図５ｉに図示するように、犠牲層２１０が現れるようメンブレン層２２０を乾式エッチング方法でパターニングしてからエッチング液を注入して犠牲層２１０を除去し、図５ｊのように、フレキシブルカンチレバータイプのＭＥＭＳトランスデューサを完成する。
前記のような製作方法であると、ＰＥＣＶＤのような低温工程を使うことによってポリマーのようなフレキシブル基板１００にトランスデューサ構造物２００が形成できる。つまり、本発明に係るトランスデューサ構造物２００は７８０℃〜８５０℃程度の高温工程が必要とされるＣＶＤ工程の代りにＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程を導入して薄膜を蒸着したものである。既存のＣＶＤ工程が熱エネルギーを反応に必要なエネルギー源として用いるのに対し、ＰＥＣＶＤはプラズマを用いることによって熱エネルギーを減らすことができ低温で薄膜が形成され得る。つまり、低温でトランスデューサ構造物２００を構成する薄膜が蒸着できるので、フレキシブルなポリマー基板１００を使用することができるようになる。従って、柔軟な材質のフレキシブルマイクロホンが形成されるのである。

紙のような基板１００にフレキシブルＭＥＭＳトランストランスデューサが形成されるので、パッケージングするマイクロホンの３次元構造に応じて前記基板１００をカット及び折って所望の形状に組立ててパッケージングできる。よって、フレキシブルかつ方向性の自在なマイクロホンが提供されることができる。
つまり、本発明に係るマイクロホン構造物は、フレキシブルなポリマー基板を使用するので、曲り性及び折れ性を持つ。従って、積層された基板をパッケージングする場合は、３次元構造に応じて絶断及び折ることによって所望する構造でパッケージングできる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的思想に属するものと了解される。

フレキシブルな基板上に形成されるＭＥＭＳトランストランスデューサとその製造方法及びこれを採用したフレキシブル無線マイクロホンに用いられる。

従来のＭＥＭＳトランスデューサを示す端面図である。従来のフレキシブルＭＥＭＳセンサを示す端面図である。本発明に係るダイアフラムタイプのトランスデューサを示す端面図である。本発明に係るカンチレバータイプのトランスデューサを示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。図４に示すトランスデューサの製作工程を示す端面図である。

符号の説明

１０シリコン基板
１１ポリマー
３０センサ
１００フレキシブル基板
１１０下部保護層
２１０犠牲層
２２０メンブレン層
２３０下部電極層
２４０活性層
２５０上部電極層
２７１、２７２接続パッド

Claims

高分子物質からなるフレキシブル基板上に犠牲層を形成するステップと、
前記犠牲層上にＰＥＣＶＤ工程でメンブレン層、下部電極層、共振周波数１Ｈｚ〜１００ｋＨｚであり圧電ポリマーで形成された活性層、上部電極層の順に積層するステップと、
前記上部電極層、前記活性層、前記下部電極層の順にパターニングするステップと、
前記上部電極層、下部電極層及び活性層を覆うように上部保護層を積層するステップと、
前記下部電極層と前記上部電極層に接続できるよう前記上部保護層をパターニングした後、接続パッド層を積層し前記下部電極層に接続される第１の接続パッドと前記上部電極層の接続部に接続される第２の接続パッドが形成されるよう前記接続パッド層をパターニングするステップと、
前記犠牲層が現れるよう前記メンブレン層をパターニングしてから犠牲層を除去するステップと、
を含む、フレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記基板は、ポリマー、ポリイミドのいずれかを素材に用いる、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記犠牲層を積層するに先立ち、前記フレキシブル基板上にシリコン室化物またはシリコン酸化物を蒸着して下部保護層を形成するステップを更に含む、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記下部保護層を、ＰＥＣＶＤ工程またはスパッタリング工程で形成する、請求項３に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記下部保護層を４００℃以下で形成する、請求項４に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記下部保護層の厚さは１０μm以下である、請求項３に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記犠牲層を形成するステップでは、ポリイミド層をコーティングし、前記メンブレン層の形状に応じて湿式または乾式エッチングによってパターニングする、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記犠牲層の厚さを１０μm以下に形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記メンブレン層をシリコン室化物で形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記メンブレン層をＰＥＣＶＤ工程で積層する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記メンブレン層の厚さを５μm以下に形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記メンブレン層を乾式エッチングによってパターニングする、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記上部電極層及び前記下部電極層を、金属または伝導性ポリマーのいずれかで形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
第１の接続パッド及び第２の接続パッドを、金属または伝導性ポリマーのいずれかで形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記下部電極層の厚さを０．０１〜５μmに形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記上部電極層の厚さを０．０１〜５μmに形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記活性層は、前記下部電極層上に圧電ポリマーを積層して形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記圧電ポリマーは、スピンコーティングまたは蒸着工程により積層する、請求項１７に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記圧電ポリマーとして、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ―ＴｒＥＦ、ＴｒＥＦ、Polyurea、Polyimid、Nylonのいずれかを用いる、請求項１７に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記犠牲層の厚さを１〜１０μmに形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記活性層の共振周波数が１Ｈｚ〜１００ｋＨｚとなるよう、前記活性層を形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記活性層の長さを５０〜１０００μmに形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記活性層をパターニングするステップは、乾式または湿式エッチング方法でパターニングする、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの制作方法。
前記上部保護層をシリコン室化物またはシリコン酸化物のいずれかで形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの制作方法。
前記上部保護層の厚さを１〜１０μmに形成する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記上部保護層をＰＥＣＶＤ工程で積層する、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの製作方法。
前記上部保護層をパターニングするステップは、乾式または湿式エッチング方法でパターニングする、請求項１に記載のフレキシブルＭＥＭＳトランスデューサの制作方法。