KR101089828B1 - 지향성 마이크로폰 및 그 제조 방법 - Google Patents

지향성 마이크로폰 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지향성 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에치홀를 통해 형성되는 공기체임버 및 상기 에치홀이 형성된 면을 기준으로 상부면에 형성된 전극층을 포함하는 하부기판; 상기 하부기판과 마주보는 면에 각각 형성된 두 개의 멤브레인을 포함하도록 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판; 및 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 형성되어 상기 두 기판의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 스페이서를 포함하는 지향성 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지향성, 멤브레인, 마이크로폰

Description

지향성 마이크로폰 및 그 제조 방법{Directional microphones and method for manufacturing using thereof}
본 발명은 dual 멤브레인 구조를 가지며, MEMS 공정을 이용하여 제작이 용이한 지향성 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 마이크로폰(Microphone)에서 많이 사용하고 있는 종류는 EMC(Electret Condenser Microphone)와 콘덴서 마이크로폰(Condenser Microphone) 장치이다.
도 1은 종래 기술에 따른 콘덴서 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도로서, 콘덴서 마이크로폰은 캐패시터 구조를 갖고 있으며, 음압(Acoustic Force)에 따라 다이아프램(Diaphragm)의 변화로 인해 나타나는 캐패시턴스(Capacitance)값의 변화를 감지하는 원리이다. 이 구조의 경우, 캐패시턴스(Capacitance)의 변화를 측정하기 위해 외부 전압(Vbias)를 인가해야 하는 단점이 있지만, 제조상 CMOS와 집적이 용이하고 넓은 주파수 응답특성의 장점을 가지고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도로서, 이 마이크로폰은 멤즈(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 공정으로 제작된 마이크로폰이다. 상기 도면과 같이, 기본적으로는 상부 전극(10)과 하부 전극(11) 사이에는 아무 물질로도 채워져 있지 않은 평행판 전극의 형태로 되어 있으며, 하부 전극(11)은 음압의 변화에 따라 움직일 수 있도록 얇은 멤브레인(12) 위에 형성되어 있고 상부 전극(10)은 음압에 대해 움직이지 않도록 하기 위해 공기의 흐름이 자유롭도록 많은 구멍(13)이 뚫려있어 구조로 되어 있다.
상기 마이크로폰의 센싱 방식은 음압에 대해 두 평행판 전극(10, 11)의 간격이 변하게 되며 이로 인해 평행판 전극의 정전용량(capacitance)이 변화하게 되는데 이 변화를 감지함으로써 음압의 크기를 알 수 있다. 그러나, 상기 도면과 같이 얇은 membrane(12) 위에 텅 비어 있는 평행판 전극 구조를 제작하기 위해 희생층 공정 등 매우 까다로운 제조 공정이 필요하고, 정전용량의 변화를 이용하는 마이크로폰의 회로는 압저항 방식의 마이크로폰보다 복잡하고, 제조공정이 까다로운 문제점이 있다.
또한, 기존의 지향성 마이크로폰의 경우 넓은 대역폭에서 동작하는 마이크로폰은 없고, 특정 주파수에서 음원의 방향을 탐지하는 정도의 성능만 가지는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 음압의 주파수 특성이 멤브레인에 의해 넓은 대역에서 반응할 수 있으며, 공정이 간단한 dual 멤브레인 구조를 가진 지향성 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
에치홀를 통해 형성되는 공기체임버 및 상기 에치홀이 형성된 면을 기준으로 상부면에 형성된 전극층을 포함하는 하부기판; 상기 하부기판과 마주보는 면에 각각 형성된 두 개의 멤브레인을 포함하도록 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판; 및 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 형성되어 상기 두 기판의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 스페이서를 포함하는 지향성 마이크로폰을 제공한다.
상기 공기체임버는 상기 두 개의 멤브레인으로 연결되는 구조를 가지고 있어 음압의 도달에 따른 위상차이를 출력할 수 있고, 상기 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기통로가 형성되어 있다. 또한, 상기 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판의 상부면 및 상기 멤브레인의 상부면에는 전극층이 형성되어 있으며, 상기 하부기판에 형성된 에치홀은 하부기판 상에 SiO2층을 증착한 후, 상기 실리콘 기판을 건식식각 및 습식식각 공정을 통하여 형성된다.
본 발명에 따른 지향성 마이크로폰의 제조시 상기 스페이서 두께를 조절하여 상기 상부 및 하부기판의 간격을 조절할 수 있으며, 상기 멤브레인은 SiO2 또는 SiN 중에서 하나 이상 사용하여 형성시키거나, 실리콘, 폴리실리콘 등을 사용하여 형성시킨다.
또한, 본 발명은 상부기판의 하부면에 멤브레인용 박막을 증착하고, 상기 멤브레인용 박막 하부면에 스페이서용 박막을 증착한 후 패턴화하는 제 1 단계; 상기 패턴화 과정 후 백 사이드 식각공정을 통하여 두 개의 멤브레인을 제작하는 제 2 단계; 상기 공정 후 상기 상부기판 상부면에 전극층을 형성하는 제 3 단계; 하부기판 상부면에 SiO2를 증착하는 제 4 단계; 상기 하부기판에 건식식각 및 습식식각 공정을 통하여 홀 패턴을 만들어 공기체임버를 형성시키는 제 5 단계; 상기 홀 패턴상에 전극층을 형성하는 제 6 단계; 및 상기 제 3 단계 상태의 상부기판과 상기 제 6 단계 상태의 하부기판을 결합시키는 제 7 단계를 포함하는 지향성 마이크로폰 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 단계의 멤브레인용 박막은 SiO2 또는 SiN 중에서 하나 이상 사용하여 형성시키거나, 폴리실리콘을 사용하여 형성시킨 것을 특징으로 하며, 상기 제 5 단계의 공기체임버는 상기 두 개의 멤브레인으로 연결되는 구조를 가지고 있어 음압의 도달에 따른 위상차이를 출력할 수 있으며, 상기 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기 통로를 더 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, dual 멤브레인 구조를 가진 마이크로폰은 간단한 공정단계을 통해 제조되며, 음압의 주파수 특성이 멤브레인에 의해 넓은 대역에서 반응할 수 있을 뿐 아니라, 체임버와 공기통로를 이용해 소리의 방향을 분석할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 에치홀를 통해 형성되는 공기체임버 및 상기 에치홀이 형성된 면을 기준으로 상부면에 형성된 전극층을 포함하는 하부기판; 상기 하부기판과 마주보는 면에 각각 형성된 두 개의 멤브레인을 포함하도록 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판; 및 상기 상부기판 및 하부기판 사이에 형성되어 상기 두 기판의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 스페이서를 포함하는 지향성 마이크로폰을 제공한다.
상기 공기체임버는 상기 두 개의 멤브레인으로 연결되는 구조를 가지고 있어 음압의 도달에 따른 위상차이를 출력할 수 있고, 상기 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기통로가 형성되어 있다. 또한, 상기 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판의 상부면 및 상기 멤브레인의 상부면에는 전극층이 형성되어 있으며, 상기 하부기판에 형성 된 에치홀은 하부기판 상에 증착된 SiO2층을 건식식각 및 습식식각 공정을 통하여 형성된다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 마이크로폰을 나타내는 단면도이고, 도 3b는 상기 지향성 마이크로폰을 위에서 내려다본 평면도이다.
상기 지향성 마이크로폰(100)은 상부기판(10), 하부기판(20) 및 스페이서(30)를 포함하고, 상기 상부기판(10)은 멤브레인층(40) 및 전극층(50)으로 구성되며, 상기 하부기판(20)은 에치홀(60)을 통해 형성된 공기체임버(70) 및 전극층(80)으로 구성된다. 상기 상부기판(10) 및 하부기판(20)은 상기 스페이서(30)를 통하여 접착 및 간격이 유지되는데, 스페이서의 두께를 조절하여 상기 상부기판(10) 및 하부기판(20)의 간격을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 지향성 마이크로폰의 전체적인 구조는 음압에 반응하는 두 개의 멤브레인층(40)이 상부기판(10)에 형성되고, 여기에 평행하게 놓이는 또 다른 기판인 하부기판(20)에 에치홀(60)이 관통하는 구조를 가진 공기 체임버(70)가 제작된다. 상기 두 개의 기판을 적당한 간격을 갖도록 서로 붙여서 평판형 전극 구조가 되도록 하여 두 개의 마이크로폰이 평행하게 제작되지만 공기 체임버는 서로 연결되어 있는 구조가 된다. 즉, 상기 구조와 같이 dual 마이크로폰이 제작되는데, 상기 마이크로폰은 하나의 공기 체임버로 연결되어 음원의 방향에 따른 phase 차이를 감지할 수 있다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 제조공정을 나타낸 단계도이다.
먼저, 상기 상부기판에 있어서, 음압에 의해 진동하는 진동용 멤브레인이 MEMS 공정으로 제작된다. 즉, 상부기판에 멤브레인층용 박막을 증착하고, 다음으로 스페이서용 박막을 차례대로 기판상에 증착한다. (도 4a) 상기 멤브레인층용 박막의 재료로는 SiO2, SiN 등의 절연체 박막을 단독으로 혹은 혼용하여 사용할 수 있으며 폴리실리콘으로 제작할 수도 있으며, 멤브레인의 기계적 특성은 마이크로폰의 동작 특성과 관계 되므로 마이크로폰 제작 비용과 음압 반응 특성을 고려해 다양하게 결정될 수 있다. 상기 스페이서용 박막의 재료로는 사진 식각으로 제작된 폴리머 패턴이나 기판 식각으로 단차를 형성시킨 후 하부 기판과 본딩하여 제작하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
또한, SOI기판을 사용할 경우 단결정 실리콘으로 박막을 형성하는 것도 가능하며, 박막의 기계적 특성을 고려하여 어떤 재질의 박막으로 변경하는 것은 비교적 간단하다. 다만, 박막의 추가적 증착이 필요한 폴리실리콘의 경우 공정이 보다 복잡해질 수 있으며, SOI기판의 경우 기판의 제조단가가 더 비싸진다는 점이 있으나, 기계적 강성이 강한 단결정 실리콘을 박막으로 사용할 수 있어 마이크로폰의 설계에 따라 적절하게 선정할 수 있다.
그 후, 패턴화하여 도면에서와 같이 스페이서용 박막이 패턴을 이루게 형성시킨다. (도 4b) 다음으로, 백 사이드 식각공정을 통하여 두 부분에 멤브레인층이 형성되고, 백 사이드 식각공정을 거친 기판 및 상기 멤브레인층 상에 전극층을 형성한다. (도 4c) 상기 전극층을 구성하는 재료는 알루미늄 등 전극용 금속이 바람직하다. 다만, 상기 전극층은 멤브레인층 하부면에 형성되는 것도 가능하다.
상기 스페이서는 두 기판의 간격 즉, 상부기판에 형성된 멤브레인층과 에치홀이 형성되어 있는 하부 기판의 간격을 조절하는 기능을 하며, 또한 두 기판을 접착시키는 역할도 하므로 BCB 등을 활용할 수 있고, 기판 본딩 기술을 활용하여 형성시키는 것도 바람직하다. 또한, 포토 공정만으로 스페이서 원하는 형태의 두께와 패턴을 형성시킬 수 있는 것이 바람직하고, 쉽게 기판 접합이 가능한 재료가 바람직하다.
다음으로 하부기판의 제조과정에 대해서 설명한다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 제조공정을 나타낸 단계도이고, 도 5e는 상기와 같이 제조된 상부기판 및 하부기판이 결합된 마이크로폰을 나타내는 단면도이다.
준비된 하부기판에 SiO2를 증착한 후(도 5a), 연속되는 실리콘 건식식각과 습식식각 공정을 거쳐 에치홀을 형성하는데(도 5b, 5c), 도면에서와 같이 상기 에치홀을 통해 공기체임버가 형성된다. 상기 건식식각 및 습식식각 공정에 대한 설명은 일반적인 것으로 생략한다. 상기 공기 체임버는 상기 멤브레인층에 의해 밀폐되거나 혹은 제 3의 홀을 통해 외부와 연결될 수 있다. 체임버의 형태, 즉 두 박막을 연결하는 공기통로의 크기와 형태는 dual 마이크로폰의 위상차 혹은 지향성을 분석하는데 상관관계가 있으므로 적절하게 설계될 필요가 있으며, 외부로 연결되도록 하는 공기통로 또한 이를 고려하여 형성될 수 있다.
상기 하부기판에 있어서, 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기통로를 형성할 수도 있다. 다음으로, 상기 에치홀이 이루는 면을 기준면으로 하여 그 상부면에 공통전극층을 형성하여 하부기판을 완성시킨다. (도 5d) 이와 같이 평판형 전극이 제작되면 이를 이용하여 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
이 후, 도 5e에 나와 있는 것과 같이, 상부기판 및 하부기판을 결합시켜 마이크로폰을 제작하는데, 상기 기판들 사이에는 스페이서가 형성되어 기판 사이의 간격을 유지할 수 있도록 해 준다.
또한, 본 발명은 상부기판의 하부면에 멤브레인용 박막을 증착하고, 상기 멤브레인용 박막 하부면에 스페이서용 박막을 증착한 후 패턴화하는 제 1 단계; 상기 패턴화 과정 후 백 사이드 식각공정을 통하여 두 개의 멤브레인을 제작하는 제 2 단계; 상기 공정 후 상기 상부기판 상부면에 전극층을 형성하는 제 3 단계; 하부기판 상부면에 SiO2를 증착하는 제 4 단계; 상기 하부기판에 건식식각 및 습식식각 공정을 통하여 홀 패턴을 만들어 공기체임버를 형성시키는 제 5 단계; 상기 홀 패턴상에 전극층을 형성하는 제 6 단계; 및 상기 제 3 단계 상태의 상부기판과 상기 제 6 단계 상태의 하부기판을 결합시키는 제 7 단계를 포함하는 지향성 마이크로폰 제조방법을 제공한다.
상기와 같이 폴리실리콘 혹은 폴리머 박막을 이용한 기존의 MEMS 마이크로폰에 비해 공정이 간단하며 dual 멤브레인 구조를 통해 지향성 마이크로 폰을 구현할 수 있으며, 본 발명은 음압의 주파수 특성이 멤브레인에 의해 넓은 대역에서 반응할 수 있도록 설계가 가능하며, 체임버와 공기통로를 이용해 소리의 방향을 분석할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이 다.
도 1은 종래 기술에 따른 콘덴서 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 마이크로폰을 나타내는 단면도이고, 도 3b는 상기 지향성 마이크로폰을 위에서 내려다본 평면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 제조공정을 나타낸 단계도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부기판의 제조공정을 나타낸 단계도이고, 도 5e는 상기와 같이 제조된 상부기판 및 하부기판이 결합된 마이크로폰을 나타내는 단면도이다.

Claims (11)

  1. 에치홀을 통해 형성되는 공기체임버 및 상기 에치홀이 형성된 면을 기준으로 상부면에 형성된 전극층을 포함하는 하부기판;
    상기 하부기판과 마주보는 면에 각각 형성되어 한 개의 상기 공기체임버와 연결되는 두 개의 멤브레인을 포함하도록 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판; 및
    상기 상부기판 및 하부기판 사이에 형성되어 상기 하부기판과 상부기판 사이의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 스페이서를 포함하는 지향성 마이크로폰.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 백 사이드 식각공정을 거친 상부기판의 상부면 및 상기 멤브레인의 상부면에는 전극패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서 두께를 조절하여 상기 상부 및 하부기판의 간격을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인은 폴리머 박막, 혹은 SiO2 또는 SiN 중에서 하나 이상 사용하여 형성시키거나, 실리콘, 폴리실리콘을 사용하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰.
  8. 상부기판의 하부면에 멤브레인용 박막을 증착하고, 상기 멤브레인용박막 하부면에 스페이서용 박막을 증착한 후 패턴화하는 제 1 단계;
    상기 패턴화 과정 후 백 사이드 식각공정을 통하여 두 개의 멤브레인을 제작하는 제 2 단계;
    상기 상부기판 상부면에 전극층을 형성하는 제 3 단계;
    하부기판 상부면에 SiO2를 증착하는 제 4 단계;
    상기 하부기판에 건식식각 및 습식식각 공정을 통하여 홀 패턴을 만들어 공기체임버를 형성시키는 제 5 단계;
    상기 홀 패턴상에 전극층을 형성하는 제 6 단계; 및
    상기 두 개의 멤브레인이 한 개의 상기 공기체임버와 연결되도록, 상기 제 3 단계 상태의 상부기판과 상기 제 6 단계 상태의 하부기판을 결합시키는 제 7 단계를 포함하는 지향성 마이크로폰 제조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 공기체임버의 인접부에는 상기 멤브레인과 별개로 상기 공기체임버 내부와 외부가 연결되도록 관통하는 공기통로를 더 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 단계의 멤브레인용 박막은 SiO2 또는 SiN 중에서 하나 이상 사용하여 형성시키거나, 폴리실리콘을 사용하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 지향성 마이크로폰 제조방법.
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