KR101126604B1 - Method for manufacturing capacitive type mems microphone - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법에 관한 것으로, 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법에 있어서; 실리콘 기판을 준비하는 제1단계와; 상기 기판 위에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 금속 산화물 중에서 선택된 어느 하나로 증착하여 응력 분산이 가능한 고립영역을 갖는 절연막을 형성하고, 진동판의 크기만큼 식각하여 제거하는 제2단계와; 상기 제2단계 통해 형성된 절연막 상부에 폴리머를 도포하거나 또는 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 증착하여 진동판을 형성하는 제3단계와; 상기 제3단계에서 형성된 진동판 위에 외부 바이어스 인가를 위한 하부전극을 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계 후 진동판 위에 일정한 거리를 갖는 기준판을 형성하고, 상기 기판 뒤에서 식각하여 진동판을 남겨 진동판이 릴리즈되게 하는 제5단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 응력을 완화 및 제거할 수 있는 기계적 구조를 맴스 공정을 통해 형성하고, 마이크로폰에서 감도의 재현성 및 신뢰성을 결정하는 가장 중요한 요소인 진동판의 내부 응력을 조절가능하게 함으로써 마이크로폰의 품질 향상은 물론 신뢰도 향상에 기여하고, 그 활용폭을 넓힐 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a capacitive MEMS microphone, comprising: a method of manufacturing a capacitive MEMS microphone; Preparing a silicon substrate; A second step of forming an insulating film having an isolation region capable of dispersing stress by depositing one selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal oxide on the substrate, and etching and removing the insulating film by the size of the diaphragm; A third step of forming a diaphragm by coating a polymer on the insulating film formed through the second step or by depositing a silicon nitride film or polysilicon; A fourth step of forming a lower electrode for applying an external bias on the diaphragm formed in the third step; And a fifth step of forming a reference plate having a predetermined distance on the diaphragm after the fourth step, and etching the back of the substrate to leave the diaphragm so as to release the diaphragm. To provide.
The present invention forms a mechanical structure that can alleviate and eliminate stress through the mass process, and by controlling the internal stress of the diaphragm, which is the most important factor that determines the reproducibility and reliability of the sensitivity in the microphone, as well as improving the quality of the microphone, It has the advantage of contributing to the improvement of reliability and widening its utilization.
Description
본 발명은 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 들어오는 음압(Sound Pressure)를 통과시키기 위한 관통형 기준판(Perforated Back Plate)과 음압에 반응하여 진동하는 진동판(Vibrating Diaphragm)으로 구성되는 정전용량형 맴스(MEMS, Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰에서 진동판의 응력을 조절할 수 있도록 개선된 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a capacitive MEMS microphone, and more particularly, a perforated back plate for passing an incoming sound pressure and a vibrating plate vibrating in response to the sound pressure. The present invention relates to a method of manufacturing an improved capacitive MEMS microphone to control the stress of a diaphragm in a capacitive MEMS (MEMS) microphone.
일반적으로, MEMS(Micro Electro Mechanical System)란 전자(반도체)기술, 기계 기술, 그리고 광 기술 등을 융합 하여 마이크로단위의 작은 부품 및 시스템을 설계, 제작하고 응용하는 기술을 총칭하는 것으로, 주로 반도체 제조기술을 비롯한 초소형 기계 기술에 적용되고 있다.In general, MEMS (Micro Electro Mechanical System) refers to a technology that designs, manufactures and applies micro-components and systems by fusing electronic (semiconductor) technology, mechanical technology, and optical technology. It is applied to micro machine technology including technology.
음파 또는 초음파를 받아서 그 진동에 따른 전기신호를 발생하는 장치인 마이크로폰에 있어서도 이러한 MEMS를 기반으로 한 정전용량형 마이크로폰(Capacitive Microphone based on MEMS)(이하 'MCM'이라 함)이 개발되어 다양하게 활용되고 있다.In the microphone, which is a device that receives sound waves or ultrasonic waves and generates electric signals according to the vibration, a capacitive microphone based on MEMS (hereinafter referred to as 'MCM') has been developed and utilized in various ways. It is becoming.
특히, MCM은 기존 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECM, Electret Condenser Microphone)이 가지는 한계를 뛰어 넘는 많은 장점들로 인해 그 활용분야가 점차 확대되고 있는 추세이다.In particular, MCM is gradually expanding its field of application due to many advantages that exceed the limitations of the existing electret condenser microphone (ECM).
이와 같은 MCM은 도 1에 도시된 바와 같이, 고정되어 있고 구멍이 뚫려 있는 관통형 기준판(Perforated Back Plate)(10)과 음성에 반응하는 진동판(Diaphragm)(20)으로 구성된다("silicon microphone development and application" sensor and actuator A 133(2007), 283~287p 참조).The MCM is composed of a fixed and perforated back plate 10 and a diaphragm 20 that responds to voice as shown in FIG. 1 ("silicon microphone"). development and application "sensor and actuator A 133 (2007), 283-287p).
이러한 MCM에서 준 정적작용(quasi-static behavior)을 하는 진동판(20)과 기준판(10)의 DC 바이어스 전압 인가시 전기적 감도(Se)는 다음과 같은 (식 1)로 나타낼 수 있다.In this MCM, the electrical sensitivity (S e ) when applying the DC bias voltage of the diaphragm 20 and the reference plate 10 having a quasi-static behavior may be represented by the following Equation 1.
Se =(Vb / ha.eff)ㆍSm --------------------------------(식 1)S e = (V b / h a.eff ) ・ S m -------------------------------- (Equation 1 )
이때, Vb 는 진동판(20)과 기준판(10) 사이에 인가되는 DC 바이어스 전압을 말하며, ha.eff 는 진동판(20)과 기준판(10) 사이의 공기층(Air Gap)(30)이고, Sm 은 기계적 감도를 나타낸다.In this case, V b refers to a DC bias voltage applied between the diaphragm 20 and the reference plate 10, and h a.eff is an
상기 (식 1)에서 진동판(20)의 움직임이 위-아래로만 이루어지는 피스톤 운동만 한다고 가정하면 진동판(20)이 움직일 때 기준판(10) 사이에 형성된 체적변위(volume displacement)가 변하며, 인가된 바이어스에 따라 평균 체적변위를 한정시킬 수 있게 된다.Assuming that the movement of the diaphragm 20 is only a piston movement in which the diaphragm 20 moves up and down in Equation 1, when the diaphragm 20 moves, a volume displacement formed between the reference plates 10 changes and is applied. The average volumetric displacement can be defined according to the bias.
따라서, 어떤 진동판(20)의 대략적인 기계적 감도(Sm)은 다음 (식 2)와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the approximate mechanical sensitivity S m of a certain diaphragm 20 can be expressed as follows.
Sm = kd.vol ㆍ Sm.max ------------------------------------(식 2)S m = k d.vol ㆍ S m.max ------------------------------------ 2)
이때, Sm.max 는 진동판(20)에서의 최대 감도를 말하고, kd.vol 은 정확한 진동판(20)의 모양과 이를 한정시키는 요소들에 의존하는 체적감소계수(volume reduction factor)를 말한다.At this time, S m.max refers to the maximum sensitivity in the diaphragm 20, k d.vol refers to the volume reduction factor (volume reduction factor) depending on the shape of the exact diaphragm 20 and the factors that limit it.
만약, 진동판(20)에 근본적으로 신장응력(tensile stress)이 존재한다면 그것은 진동판(20)의 최대 감도를 감소시킬 것이고, 체적감소계수에도 영향을 줄 것이다. 따라서, 이런 근본적 응력을 제거 및 완화시키는 것이 매우 중요하다.If there is a fundamental stress in the diaphragm 20, it will reduce the maximum sensitivity of the diaphragm 20 and affect the volume reduction coefficient. Therefore, it is very important to remove and relieve these fundamental stresses.
또한, MCM은 전기적 작용, 기계적 작용 및 인가된 음압에 의한 음향학적 영역에서의 작용 등이 복합적으로 작용하는 동적작용(dynamic behavior)에서 럼프 요소 파라메터 모델(lumped element parameter model)을 사용하여 모델링할 수 있는데, 이때 모델 회로의 모든 요소(element)들은 마이크로폰 구조의 치수(dimension)와 사용된 물질들의 특성에만 의존하게 된다.In addition, the MCM can be modeled using a lumped element parameter model in dynamic behavior, which is a combination of electrical, mechanical, and acoustical effects of applied sound pressure. In this case, all the elements of the model circuit depend only on the dimensions of the microphone structure and the properties of the materials used.
이 경우, 마이크로폰의 적용분야에 따라 동작 주파수 범위를 결정하며, 그 범위 내에서 음향학적 열적 자체 노이즈(acoustic thermal self-noise)를 최소화하는 요소들인 진동판(20)과 기준판(10) 사이의 거리, 진동판(20)의 크기 및 두께, 구멍이 뚫린 기준판(10)의 구멍 크기 및 면적 등을 결정하게 된다.In this case, the distance between the diaphragm 20 and the reference plate 10, which is a factor that determines the operating frequency range according to the application of the microphone, minimizes acoustic thermal self-noise within the range. The size and thickness of the diaphragm 20, the size and area of the hole of the reference plate 10 that is punched out are determined.
이렇게 설계된 마이크로폰에서 가장 중요한 제한 요소는 마이크로폰 구조를 망가뜨리지 않으면서 인가할 수 있는 최대 인가 음압(maximum applied sound pressure)이다. 이를 만족시키기 위해 여러 가지 요소들이 설계시 고려되어야 하며, 진동판(20) 자체의 응력 또한 중요하게 고려되어야 한다.The most important limiting factor in this designed microphone is the maximum applied sound pressure that can be applied without breaking the microphone structure. In order to satisfy this, various factors must be considered in design, and the stress of the diaphragm 20 itself must also be considered.
음압이 인가되면 진동판(20)의 내부 응력을 기준으로 응력 변화가 생기게 된다. 이때, 인가된 음압이 사라지면 다시 원래 진동판(20)이 가지고 있는 내부 응력 상태로 되돌아와야 재현성 있는 마이크로폰으로서 작동을 하게 되는데 진동판(20)에 응력이 잔류하게 되면 재현성 및 신뢰성에 문제가 생기므로 마이크로폰 구조를 망가뜨리게 된다.When negative pressure is applied, a stress change is generated based on the internal stress of the diaphragm 20. At this time, when the applied sound pressure disappears, it is required to return to the internal stress state of the original diaphragm 20 to operate as a reproducible microphone. When the stress remains on the diaphragm 20, the reproducibility and reliability cause problems. It will destroy.
따라서, 진동판(20)을 이루는 물질 자체의 내부 응력 및 마이크로폰 구조 내에서 진동판(20)에 걸리는 응력이 최소화되는 것이 MCM 제조에 있어 매우 중요하다.Therefore, minimizing the internal stress of the material constituting the diaphragm 20 and the stress applied to the diaphragm 20 in the microphone structure is very important in MCM production.
현재 상용화된 MCM에서는 진동판(20)으로 폴리실리콘 같은 물질을 사용하는데, 이는 저압 화학기상증착장비(LPCVD, low pressure chemical vapor deposition) 같은 장비를 이용하여 600℃ 이상의 고온공정에서 형성하게 되므로 열적 응력에 의해 진동판(20) 자체의 응력이 크게 존재한다. 따라서, 이를 완화시키기 위해 진동판(20) 두께를 두껍게 하거나 진동판(20) 크기를 작게 하거나 진동판(20)과 기준판(10)의 거리를 작게 하여 마이크로폰을 설계하게 된다.Currently commercially available MCM uses a material such as polysilicon as the diaphragm 20, which is formed in a high temperature process of more than 600 ℃ by using equipment such as low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), thermal stress Thereby, the stress of the diaphragm 20 itself exists large. Therefore, in order to alleviate this, the microphone may be designed by increasing the thickness of the diaphragm 20, reducing the size of the diaphragm 20, or reducing the distance between the diaphragm 20 and the reference plate 10.
하지만, 이는 마이크로폰이 감지할 수 있는 감도를 제한하여 응용분야의 범위를 제한하는 요소가 되므로 보청기 같은 높은 감도를 원하는 응용분야에서는 사용이 어려워진다.However, since this is a factor limiting the range of applications by limiting the sensitivity that the microphone can detect, it becomes difficult to use in applications that require high sensitivity such as hearing aids.
맴스 공정으로 구현 가능한 진동판들은 근본적으로 응력이 존재하므로 위에서 언급한 문제점을 반드시 보이게 되며, 결국 이를 해결하기 위해서는 마이크로폰 제조 공정에서 이를 완화시키거나 제거할 수 있는 기계적 구조가 필요하거나 혹은 진동판을 형성하는 물질 자체에 대한 연구가 더 필요하다.The diaphragms that can be implemented by the MEMS process are inherently stressed, and thus exhibit the above-mentioned problems, and in order to solve them, a mechanical structure capable of mitigating or removing them in the microphone manufacturing process or a material forming the diaphragm is required. More research on itself is needed.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 마이크로폰을 구성하는 진동판 둘레에 응력을 분산시킬 수 있는 실리콘 산화막 같은 절연 물질을 먼저 형성하거나 혹은 진동판 자체에 구멍을 내거나 혹은 진동판에 동시 형성디는 바닥 전극의 다리를 대칭적으로 형성하여 응력을 분산하거나 조절 가능한 기계적 구조를 형성함으로써 높은 감도를 유지할 수 있고, 응용분야의 범위를 넓힐 수 있도록 한 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and firstly forms an insulating material such as a silicon oxide film capable of dispersing stress around the diaphragm constituting the microphone, or forms a hole in the diaphragm itself. Alternatively, the capacitive MEMS microphones can maintain high sensitivity and broaden the range of applications by symmetrically forming the legs of the bottom electrode, which are formed simultaneously on the diaphragm, to disperse stress or form an adjustable mechanical structure. Its main purpose is to provide a manufacturing method.
또한, 본 발명은 마이크로폰을 구성하는 진동판을 화학적기상증착 공정을 통해 형성하지 않고 용매가 들어간 액상의 물질을 진동판 재료로 사용하되 진동판 형성시 물질을 도포한 후 용매를 제거하는 과정에서 응력을 조절하도록 함으로써 높은 감도를 유지할 수 있도록 한 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공함에도 그 목적이 있다.In addition, the present invention is to use a liquid substance containing a solvent as the diaphragm material without forming the diaphragm constituting the microphone through the chemical vapor deposition process to control the stress in the process of removing the solvent after applying the material during the formation of the diaphragm It is also an object of the present invention to provide a method for manufacturing a capacitive MEMS microphone, which can maintain a high sensitivity.
본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법에 있어서; 실리콘 기판을 준비하는 제1단계와; 상기 기판 위에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 금속 산화물 중에서 선택된 어느 하나로 증착하여 응력 분산이 가능한 고립영역을 갖는 절연막을 형성하고, 진동판의 크기만큼 식각하여 제거하는 제2단계와; 상기 제2단계 통해 형성된 절연막 상부에 폴리머를 도포하거나 또는 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 증착하여 진동판을 형성하는 제3단계와; 상기 제3단계에서 형성된 진동판 위에 외부 바이어스 인가를 위한 하부전극을 형성하는 제4단계와; 상기 제4단계 후 진동판 위에 일정한 거리를 갖는 기준판을 형성하고, 상기 기판 뒤에서 식각하여 진동판을 남겨 진동판이 릴리즈되게 하는 제5단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.The present invention as a means for achieving the above object, in the method of manufacturing a capacitive MEMS microphone; Preparing a silicon substrate; A second step of forming an insulating film having an isolation region capable of dispersing stress by depositing one selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal oxide on the substrate, and etching and removing the insulating film by the size of the diaphragm; A third step of forming a diaphragm by coating a polymer on the insulating film formed through the second step or by depositing a silicon nitride film or polysilicon; A fourth step of forming a lower electrode for applying an external bias on the diaphragm formed in the third step; And a fifth step of forming a reference plate having a predetermined distance on the diaphragm after the fourth step, and etching the back of the substrate to leave the diaphragm so as to release the diaphragm. To provide.
이때, 상기 제2단계에서, 절연막을 증착하는 방식은 화학적기상증착법 또는 물리적기상증착법인 것에도 그 특징이 있다.At this time, in the second step, the method of depositing the insulating film is characterized in that the chemical vapor deposition method or physical vapor deposition method.
또한, 상기 제3단계에서, 폴리머를 도포하여 진동판을 형성할 경우에는 SOG, SOD나 폴리이미드의 방온도(room temperature)에서 액상으로 존재하는 폴리머를 사용하며, 대면적 전자빔 경화장치로 폴리머 표면에 조사되는 전자빔을 통해 경화시켜 응력을 조절하는 것에도 그 특징이 있다.In the third step, when the diaphragm is formed by applying the polymer, a polymer existing in a liquid state at room temperature of SOG, SOD or polyimide is used, and a large-area electron beam curing apparatus is used on the polymer surface. It is also characterized by controlling the stress by curing through an electron beam to be irradiated.
뿐만 아니라, 상기 제3단계에서, 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 증착하여 진동판을 형성할 경우에는 진동판 영역에 미세한 구멍을 다수 형성하여 증착 조건에 따라 발생되는 내부 응력을 제거하도록 한 것에도 그 특징이 있다.In addition, in the third step, in the case of forming a diaphragm by depositing a silicon nitride film or polysilicon, a number of fine holes are formed in the diaphragm region to remove internal stress generated according to deposition conditions. .
아울러, 상기 제4단계에서, 하부전극 형성시 균일한 응력 분산 및 완화를 위해 하부전극과 와이어본딩이 이루어지는 전극패드를 연결하는 다리 부분을 대칭으로 형성한 것에도 그 특징이 있다.In addition, in the fourth step, there is also a feature in that the leg portion connecting the lower electrode and the electrode pad to which the wire bonding is made symmetrically formed for uniform stress distribution and relaxation when forming the lower electrode.
또한, 상기 하부전극은 금 또는 백금으로 형성되며, 진동판과의 접착력을 높이기 위해 티타늄이나 크롬이 먼저 증착되게 한 것에도 그 특징이 있다.In addition, the lower electrode is formed of gold or platinum, and is characterized in that titanium or chromium is deposited first to increase adhesion to the diaphragm.
본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.The present invention provides the following effects.
첫째, 진동판 증착 전에 진동판 둘레에 적당한 두께의 실리콘 산화막과 같은 절연막을 증착함으로써 응력 분산이 가능한 고립영역을 형성하여 실제 진동판과 기준판 사이에 형성된 커패시턴스에 의한 마이크로폰의 성능을 저해할 수 있는 기생 커패시턴스를 줄이는 효과가 있다.First, by forming an insulating layer such as a silicon oxide film having a suitable thickness around the diaphragm before the diaphragm is deposited, a parasitic capacitance which may impair the performance of the microphone due to the capacitance formed between the diaphragm and the reference plate is formed. It has the effect of reducing it.
둘째, 실리콘 질화막 증착 후 막 내부에 구멍을 형성하여 구멍을 통해 응력을 분산 내지 완화시킴으로써 수십 Hz 이하의 저주파수를 갖는 음압을 컷오프시키는 효과가 있다. 즉, 노이즈로 간주하는 저주파 대역의 음압을 신호처리를 담당하는 회로부가 아닌 마이크로폰의 기계적 구조를 통해 제거할 수 있는 장점이 있다.Second, after the silicon nitride film is deposited, a hole is formed in the film to disperse or relieve stress through the hole, thereby cutting off a sound pressure having a low frequency of several tens of Hz or less. That is, there is an advantage that the sound pressure in the low frequency band considered as noise can be removed through the mechanical structure of the microphone rather than the circuit part in charge of signal processing.
세째, 진동판으로 사용되는 실리콘 질화막 증착 후 형성하는 하부전극은 외부의 바이어스 인가를 위해 다리를 형성하여 와이어본딩되는 패드와 연결되는데 이 다리를 진동판 상에서 대칭으로 형성하여 균일한 응력 분산 및 완화 가능하도록 하부전극과 연결된 패드를 하나 이상 동일하게 연결하고 그 중 하나를 접지로 사용함으로써 기생 전류 등을 효과적으로 제거하거나 과전압, 과전류로부터 마이크로폰을 효과적으로 보호할 수 있는 장점이 있다.Third, the lower electrode formed after the deposition of the silicon nitride film used as the diaphragm is connected to the pad bonded by forming a bridge for external bias application, and the bridge is formed symmetrically on the diaphragm to allow uniform stress distribution and relaxation. By connecting one or more pads connected to the electrode in the same manner and using one of them as ground, the parasitic current can be effectively removed or the microphone can be effectively protected from overvoltage and overcurrent.
네째, 대면적 전자빔에 의한 폴리머의 경화를 통해 열적 경화보다 응력을 더욱 더 최소화할 수 있고, 경화 조건에 따라 응력을 조절할 수 있는 장점이 있다.Fourth, through the curing of the polymer by a large-area electron beam it can further minimize the stress than the thermal curing, there is an advantage that the stress can be adjusted according to the curing conditions.
도 1은 일반적인 단일 칩 정전용량형 마이크로폰의 예시적인 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 마이크로폰 제조방법을 보인 예시적인 공정도이다.1 is an exemplary cross-sectional view of a typical single chip capacitive microphone.
2 to 6 are exemplary process diagrams showing a microphone manufacturing method according to the present invention.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment according to the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 기판 준비단계가 수행된다.As shown in FIG. 2, a substrate preparation step is first performed.
상기 기판 준비단계에서 준비되는 기판(100)은 진동판을 구성하는 물질이 증착되는 대상체이다.The
이때, 상기 기판(100)은 실리콘 기판이 바람직하며, 필요에 따라 다양한 크기를 사용할 수 있다.At this time, the
이어, 준비된 기판(100) 위에 절연막(110)을 형성하는 절연막 증착단계가 수행된다.Subsequently, an insulating film deposition step of forming the
상기 절연막(110)은 응력 분산이 가능한 고립영역을 형성하기 위한 것으로, 화학적기상증착(CVD, chemical vapor deposition)이나 혹은 물리적기상증착(PVD, physical vapor deposition)을 통해 형성될 수 있다.The
또한, 상기 절연막(110)은 SiO2와 같은 실리콘 산화막, SiNx와 같은 실리콘 질화막이 될 수 있으며, 이에 더하여 Al2O3, HfO2 등과 같은 금속 산화물 모두를 포함할 수 있다.In addition, the insulating
뿐만 아니라, 증착된 절연막(110)은 응력 분산이 가능한 고립영역이자 마이크로폰의 성능을 좌우하는 파라미터인 설계에 의한 진동판의 크기만큼 식각(111)을 통해 제거된다.In addition, the deposited insulating
이 경우, 상기 식각(111)은 건식 식각, 습식 식각 모두 적용될 수 있다.In this case, the
이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 진동판 형성단계가 수행된다.Thereafter, as shown in FIG. 3, the diaphragm forming step is performed.
상기 진동판 형성단계는 실리콘 질화막이나 폴리실리콘과 같은 화학적기상증착에 의해 형성될 수도 있는데, 특히 본 발명에서는 SOG(spin on glass), SOD(spin on dioxide)나 폴리이미드(polyimide)와 같은 방온도(room temperature)에서 액상으로 존재하는 폴리머를 사용하여 진동판(120)을 형성함이 바람직하다.The diaphragm forming step may be formed by chemical vapor deposition such as silicon nitride film or polysilicon, and in particular, in the present invention, a room temperature such as spin on glass (SOG), spin on dioxide (SOD) or polyimide (polyimide) may be used. It is preferable to form the
이때, 액상으로 존재하는 폴리머들은 마이크로폰 제작 공정에서 영향을 받지 않는 물질이어야 하며 용매 제거 후 진동판(120)으로 사용할 수 있을 정도의 경도와 장력을 가져야 한다.At this time, the polymers present in the liquid phase should be a material that is not affected in the microphone manufacturing process and should have a hardness and tension sufficient to be used as the
이를 위해, 본 발명에서는 지금까지 시도되지 않았던 대면적 전자빔 경화장치(large scale electron beam curing machine)을 이용하여 대면적의 전자빔(121)을 폴리머 표면에 조사함으로써 폴리머를 경화시키되 응력을 조절할 수 있도록 한 방법을 제시한다.To this end, the present invention uses a large scale electron beam curing machine, which has not been attempted until now, to irradiate a polymer surface with a large-
이런 폴리머들은 스핀 코터(spin coater) 또는 스프레이 코터(spray coater)와 같은 장비를 사용하여 기판(100) 상에 도포되며, 스핀 코터의 경우 회전수와 시간에 의해 도포된 폴리머의 두께가 결정되고, 스프레이 코터의 경우 도포된 폴리머의 양에 따라 폴리머의 두께가 결정된다.These polymers are applied onto the
하지만, 최종적으로 마이크로폰의 설계에 의해 결정되는 진동판(120)의 두께는 진동판(120)으로 사용할 수 있을 정도의 응력을 가져야 하므로 이를 조절할 수 있는 방법이 요구되는데, 본 발명에서는 이를 대면적 전자빔 경화장치를 통해 도포된 폴리머의 표면에 대면적 전자빔(121)을 조사하여 이를 경화시킴으로써 응력을 조절하도록 한 것이다.However, finally, the thickness of the
여기에서, 상기 폴리머의 경화는 전자빔 경화장치의 가속전압을 조절하여 경화시킬 폴리머의 깊이를 조절하거나 혹은 빔전류를 조절하여 폴리머의 경화시간을 조절하거나 혹은 전자빔(121) 조사량을 조절하여 경화시킬 폴리머의 경화 정도를 조절하거나 혹은 이들 모두를 고려하여 가장 적당한 방식을 통해 이루어지도록 함으로써 응력을 쉽게 조절할 수 있다.Here, the curing of the polymer is to adjust the acceleration voltage of the electron beam curing device to adjust the depth of the polymer to be cured or to adjust the curing time of the polymer by adjusting the beam current or to adjust the irradiation amount of the
한편, 도 4의 예시와 같이 상기 진동판(120)을 형성하는 다른 예로, 앞서 설명한 실리콘 질화막이나 혹은 폴리실리콘을 이용하여 증착하는 것을 들 수 있다. Meanwhile, as another example of forming the
이 경우에는 증착 조건에 따라 내부 응력이 존재할 수 있으므로 이를 제거할 필요가 있으며, 이를 위해 본 발명에서는 진동판(120) 영역에 미세한 구멍(122)을 형성하는 방법을 사용한다.In this case, since internal stress may exist depending on deposition conditions, it is necessary to remove it. For this purpose, the present invention uses a method of forming a
이때, 상기 구멍(122)은 포토리소그래피(photolithography) 공정을 사용하여 구멍을 형성하고자 하는 부분을 감광제로 패터닝하고, 이를 건식 식각 또는 습식 식각을 통해 제거하는 형태로 형성됨이 바람직하다.In this case, the
여기에서, 건식 식각은 플루오린(불소) 또는 클로린(염소) 계열의 가스를 사용하며, 습식 식각은 HF 또는 KOH, TMAH 등을 사용할 수 있다.Here, the dry etching may use a fluorine (fluorine) or chlorine (chlorine) -based gas, the wet etching may be HF or KOH, TMAH and the like.
이렇게 하여 진동판(120)이 형성되면 도 5와 같이, 하부전극 형성단계가 수행된다.When the
상기 하부전극 형성단계는 진동판(120) 위에 외부 바이어스 인가를 위한 하부전극을 형성하기 위한 것으로, 본 발명에서는 균일한 응력 분산 및 완화를 위해 하부전극과 와이어본딩이 이루어지는 전극패드를 연결하는 다리(130) 부분을 대칭으로 형성함이 바람직하다.The lower electrode forming step is to form a lower electrode for applying an external bias on the
예컨대, 도 5에서는 4개의 다리(130)가 서로 대칭을 이루는 것을 예시적으로 나타내었지만 상기 다리(130)의 개수는 동일한 간격으로 이루어진 다수의 다리(130)들을 전부 포함할 수 있다.For example, in FIG. 5, the four
그리고, 하부전극은 금이나 백금 같은 전도성이 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 이때 진동판(120)과의 접착력을 높이기 위해 티타늄이나 크롬 같은 접착성이 우수한 금속을 먼저 증착할 수 있다.In addition, the lower electrode may preferably use a metal having excellent conductivity such as gold or platinum. In this case, a metal having excellent adhesion such as titanium or chromium may be deposited first to increase the adhesion with the
만약, 접착성이 우수한 금속을 먼저 증착할 경우 증착방법은 열 기화기(thermal evaporator)나 전자빔 기화기(electron beam evaporator) 또는 스퍼터(sputter) 같은 물리적기상증착을 사용함이 바람직하다.If the metal with excellent adhesion is deposited first, the deposition method preferably uses physical vapor deposition such as a thermal evaporator, an electron beam evaporator, or a sputter.
이 경우, 금속 자체의 내부 응력 및 증착 조건에 따른 외부 응력이 생기지 않도록 금속의 두께를 최소화하여야 한다.In this case, the thickness of the metal should be minimized so that internal stress of the metal itself and external stress due to deposition conditions do not occur.
또한, 금속 증착 후 하부전극 패턴만 남기기 위해서는 포토리소그래피 공정을 통해 하부전극 패턴을 형성하고, 금속을 증착한 후 하부전극 패턴을 포토리소그래피 공정을 통해 형성해 필요없는 부분을 제거하기 위한 마스크를 형성하며, RIE(reactive ion etching) 등의 건식 식각이나 에천트(etchant) 등의 습식 식각을 통해 필요없는 부분을 제거할 수 있다.In addition, in order to leave only the lower electrode pattern after metal deposition, a lower electrode pattern is formed through a photolithography process, and after depositing a metal, a lower electrode pattern is formed through a photolithography process to form a mask for removing unnecessary portions. Unnecessary portions may be removed through dry etching such as reactive ion etching (RIE) or wet etching such as etchant.
이후, 도 6에서와 같이, 진동판(120) 위에 일정한 거리를 갖는 기준판(140)을 형성하고, 최종적으로 진동판(120)을 릴리즈시키기 위해 기판(100)을 뒤에서 식각하여 진동판(120)만 남게 하는 기준판 형성단계가 수행된다.Subsequently, as shown in FIG. 6, the
이때, 진동판(120)과 기준판(140) 사이의 거리는 마이크로폰 설계에 의해 결정된다.At this time, the distance between the
이와 같이, 본 발명은 응력을 완화 및 제거할 수 있는 기계적 구조를 맴스 공정을 통해 형성하고, 마이크로폰에서 감도의 재현성 및 신뢰성을 결정하는 가장 중요한 요소인 진동판의 내부 응력을 조절가능하게 함으로써 마이크로폰의 품질 향상은 물론 신뢰도 향상에 기여하고, 이에 따라 그 활용폭을 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.As such, the present invention provides a mechanical structure capable of relieving and removing stress through a mass process, and by controlling the internal stress of the diaphragm, which is the most important factor that determines the reproducibility and reliability of sensitivity in the microphone, the quality of the microphone It is expected to contribute to the improvement of reliability as well as to expand the scope of use.
100 : 기판 110 : 절연막
111 : 식각 120 : 진동판
121 : 전자빔 122 : 구멍
130 : 다리 140 : 기준판100
111: etching 120: diaphragm
121: electron beam 122: hole
130: leg 140: reference plate
Claims (5)
실리콘 기판을 준비하는 제1단계와;
상기 기판 위에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 금속 산화물 중에서 선택된 어느 하나로 증착하여 응력 분산이 가능한 고립영역을 갖는 절연막을 형성하고, 진동판의 크기만큼 식각하여 제거하는 제2단계와;
상기 제2단계 통해 형성된 절연막 상부에 폴리머를 도포하거나 또는 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 증착하여 진동판을 형성하는 제3단계와;
상기 제3단계에서 형성된 진동판 위에 외부 바이어스 인가를 위한 하부전극을 형성하는 제4단계와;
상기 제4단계 후 진동판 위에 설계에 의해서 결정된 거리를 갖는 기준판을 형성하고, 상기 기판 뒤에서 식각하여 진동판을 남겨 진동판이 릴리즈되게 하는 제5단계를 포함하여 구성되고,
상기 제2단계에서, 절연막을 증착하는 방식은 화학적기상증착법 또는 물리적기상증착법인 것을 특징되며,
상기 제3단계에서, 폴리머를 도포하여 진동판을 형성할 경우에는 SOG, SOD나 폴리이미드의 방온도(room temperature)에서 액상으로 존재하는 폴리머를 사용하며, 대면적 전자빔 경화장치로 폴리머 표면에 조사되는 전자빔을 통해 경화시켜 응력을 조절하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법.In the method of manufacturing a capacitive MEMS microphone;
Preparing a silicon substrate;
A second step of forming an insulating film having an isolation region capable of dispersing stress by depositing one selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal oxide on the substrate, and etching and removing the insulating film by the size of the diaphragm;
A third step of forming a diaphragm by coating a polymer on the insulating film formed through the second step or by depositing a silicon nitride film or polysilicon;
A fourth step of forming a lower electrode for applying an external bias on the diaphragm formed in the third step;
And a fifth step of forming a reference plate having a distance determined by design on the diaphragm after the fourth step, and etching behind the substrate to leave the diaphragm to release the diaphragm.
In the second step, the method of depositing the insulating film is characterized in that the chemical vapor deposition method or physical vapor deposition method,
In the third step, when forming the diaphragm by applying the polymer, a polymer that is present in the liquid phase at room temperature of SOG, SOD or polyimide is used, and is irradiated onto the polymer surface by a large-area electron beam curing apparatus. Method for producing a capacitive MEMS microphone, characterized in that the curing by the electron beam to control the stress.
상기 제3단계에서, 실리콘 질화막이나 폴리실리콘을 증착하여 진동판을 형성할 경우에는 진동판 영역에 미세한 구멍을 다수 형성하여 증착 조건에 따라 발생되는 내부 응력을 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법.The method according to claim 1;
In the third step, when forming a diaphragm by depositing a silicon nitride film or polysilicon capacitive-type MEMS microphone characterized in that to form a plurality of fine holes in the diaphragm region to remove the internal stress generated according to the deposition conditions Manufacturing method.
상기 제4단계에서, 하부전극 형성시 균일한 응력 분산 및 완화를 위해 하부전극과 와이어본딩이 이루어지는 전극패드를 연결하는 다리 부분을 대칭으로 형성한 것을 특징으로 하는 정전용량형 멤스 마이크로폰의 제조방법.
The method according to claim 1;
In the fourth step, the method for manufacturing a capacitive MEMS microphone, characterized in that the lower electrode is formed symmetrically formed the bridge portion connecting the electrode pad and the electrode pad to the wire bonding for uniform stress distribution and relaxation.
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