KR101145665B1 - 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법 - Google Patents

플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 멤브레인 막 상에 형성되고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 사진식각공정을 통해 제거된 플렉서블 기판; 및 상기 중앙 센싱부의 멤브레인 막이 드러날 때까지 마모된 제 1 기판 하부에 형성되고, 상기 센싱부에 진공 또는 기준압력을 위한 캐비티 형성을 위해 부착된 캡을 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1채널 마이크로폰의 제조방법에 관한 것이다.
압력센서, 멤브레인, 5.1채널, 마이크로폰

Description

플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법{Manufacturing method of pressure sensors and 5.1 channel microphones using flexible substrates}
본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로, 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1 채널 마이크로폰 제조방법에 관한 것이다.
현재 마이크로폰(Microphone)에서 많이 사용하고 있는 종류는 EMC(Electret Condenser Microphone)와 콘덴서 마이크로폰(Condenser Microphone) 장치이다.
도 1은 종래의 MEMS 공정에 의한 압력센서를 나타내는 단면도로서, 상기 압력센서의 제조시 얇은 Si 멤브레인(membrane)(10) 형성시 두께를 정확하게 조절하는 것이 매우 중요하다. 상기 Si membrane의 두께에 따라서 감지하고자 하는 압력의 범위가 결정되기 때문이다. Si 멤브레인을 형성하는 방법은 실리콘 뒷면으로부터 습식식각법을 이용하여 기판을 식각하다가 일정두께가 남았을 때 식각을 중지하는 방법 또는 실리콘 기판의 상부의 일정 깊이에 boron 등과 같은 원소를 도핑하면 기판 뒷면에서 식각되다가 boron doping layer를 만나면 식각속도가 현저히 저하되는 원리를 이용하여 멤브레인 막의 두께를 조절하는 등의 방법을 이용한다.
그러나, 상기 실리콘 습식식각공정에서는 식각액의 온도 및 용액의 순환 및 교반 등 유체의 흐름이 중요한 공정 변수가 되며, ㎛ 단위의 멤브레인 두께 조절 및 웨이퍼 전체적인 공정 균일성을 확보하기 위해서는 고도의 공정기술 및 노하우가 요구되며, 습식식각법에 의존하다보니 1, 2㎛ 정도로 극히 얇은 실리콘 멤브레인을 제작하는 것은 거의 불가능한 문제점이 있었다. 멤브레인의 두께가 두꺼우면 아주 미세한 압력의 변화에 대해 멤브레인이 거의 움직이지 않으므로 압력의 감지가 어렵게 된다. 만약 실리콘 멤브레인의 두께를 매우 얇게 제작할 수 있다면 음압(sound pressure)과 같은 아주 미세한 압력의 변화를 감지해야 하는 마이크로폰에 응용이 가능하겠지만, 종래의 실리콘 멤브레인을 이용하는 압력센서에서는 멤브레인의 두께가 너무 두껍기 때문에 마이크로폰에 적용하기는 적당하지 않은 문제점이 있다.
도 2a 내지 2c는 종래의 기술에 의한 5.1채널 마이크로폰 제품을 나타내는 단면도이다.
도 2a는 holophone형 입체음향 소자로서, 도면에서 보듯이 dummy head에 단품의 무지향성 마이크로폰 5개를 표면에 배열시켜 입체 음향을 취득하는 방식으로, 상용화된 제품 중 가장 소형으로 크기(길이)가 약 6 cm 정도로 매우 크다. 도 2b 및 2c는 ambisonic형 입체 음향 소자로서, 단품의 지향성 마이크로폰 4개를 4각뿔 형태의 구조물에 장착한 형태로서 4개의 1차 지향성 취득 마이크를 통해 얻은 신호 를 5.1 채널로 변화하는 것이 가능한 소자로 지향성 마이크로폰을 이용함으로써 holophone형보다 크기를 대폭 줄인 것이 특징이다.
상기 두 방식 모두 어떤 정해진 구조물의 표면에 단품 마이크로폰 4~5개를 붙여서 제작하기 때문에 크기를 줄이는데 한계가 있는데, 이는 이미 패키징이 완료된 개별적인 단품 마이크로폰 자체가 어느 정도의 크기를 형성하고 있고, 또한 이들을 결합(또는 조립)하는 과정에서 구조물의 크기 및 배선 등으로 인해 소형화하기가 어렵기 때문이다. 더구나, 마이크로폰의 크기를 작게 만들 수 있다 하더라도 이로 인해 발생하는 조립공정의 어려움은 여전히 존재하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압력센서의 멤브레인 형성시 폴리머 등과 같은 액상의 재료를 간단한 스핀 코팅 공정을 통해 일정 두께로 코팅한 후 열처리 공정으로 고형화(solidification)할 수 있으므로 멤브레인 막의 두께 조절이 매우 용이할 뿐 아니라, 플렉서블 기판을 이용하여 기판을 자유롭게 구부릴 수 있어 조립공정이 단순하며 제품의 소형화를 가능하게 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 및 이를 이용한 5.1채널 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 멤브레인 막 상에 형성되고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 사진식각 공정을 통해 제거된 플렉서블 기판; 및 상기 중앙 센싱부의 멤브레인 막이 드러날 때까지 마모된 제 1 기판 하부에 형성되고, 상기 센싱부에 진공 또는 기준압력을 위한 캐비티 형성을 위해 부착된 캡을 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서를 제공한다.
상기 센싱부인 실리콘 나노와이어는 브릿지 형태의 구조물로 제 1 기판의 중앙부에 형성되며, 상기 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성된다. 멤브레인 막을 코팅시키는 방법은 폴리머인 경우 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅법을 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘 질화막인 경우 반도체 장비를 이용하여 증착하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력센서의 상기 플렉서블 기판을 구성하는 재료는 점도가 높은 폴리머를 사용하며, 상기 플렉서블 기판의 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 사진 식각공정을 통해 제거된다.
또한, 센싱부에 기준압력 캐비티 형성을 위해, 상기 제 1 기판을 멤브레인 막이 상하지 않도록 약간의 두께의 실리콘이 남도록 마모시킨 후, 별도의 식각공정을 통해 중앙의 센싱부의 나노와이어 하부에 형성된 실리콘을 제거시킨 후 캡을 부착시킨다. 상기 센싱부인 나노와이어와 상기 멤브레인 막 사이에 유전체를 매립하는 것도 가능하다.
본 발명인 플렉서블 기판을 이용한 압력센서에 있어서, 상기 센싱부인 나노와이어는 실리콘 기판에 제 1 열산화막을 형성하는 제 1 단계; 상기 실리콘 기판에 칼럼구조를 형성하는 제 2 단계; 칼럼구조가 형성된 상기 실리콘 기판에 지지기둥 구조물 및 나노와이어 형성을 위한 역삼각형의 실리콘 구조물을 형성하는 제 3 단계; 상기 제 1 열산화막을 제거하는 제 4 단계; 상기 실리콘 기판에 제 2 열산화막을 형성하는 제 5 단계; 및 상기 제 2 열산화막을 제거하는 제 6 단계를 포함하는 단계로 제조된다.
특히, 상기 제 6 단계는 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식식각 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식식각을 통해 이루어지며, 상기 나노와이어의 단면 크기 조절은 상기 제 2 열산화막 형성 두께을 조절함으로써 이루어진다. 또한, 상기 지지기둥 구조물은 상기 나노와이어의 양쪽끝이 연결된 구조를 가지며, 상기 지지기둥 구조물과 나노와이어 연결부분은 제 2 열산화막 제거후 스트레스가 집중되어 가해지는 것을 특징으로 한다.
나노와이어를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제 2 단계는 건식식각으로 이루어지며, 상기 제 3 단계는 이방성 식각 용액을 사용하여 습식식각하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 제조된 나노와이어의 단면은 역삼각형 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 나노와이어의 길이는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛로 형성시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제 1 기판에 센싱부인 나노와이어 구조물을 형성시키는 제 1 단계; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상에 전극층을 형성시키는 제 2 단계; 상기 제 1 기판 상에 상기 전극층을 노출시키는 구조로 멤브레인 막을 형성시키는 제 3 단계; 상기 멤브레인 막 상에 플렉서블 기판을 형성시키고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분의 상기 플렉서블 기판을 사진식각 공정을 통해 제거시키는 제 4 단계; 상기 플렉서블 기판 상에 접착물질을 매개로 하는 더미 기판을 형성시키는 제 5 단계; 상기 더미 기판을 형성시킨 후, 제 1 기판 하부를 마모시켜 나노와이어를 감싸고 있는 멤브레인 막을 노출시키는 제 6 단계; 상기 더미 기판을 분리시키는 제 7 단계; 상기 제 1 기판의 중앙 센싱부 하부에 진공 또는 기준압력 캐비티 형성을 위한 캡을 부착하는 단계를 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 단계의 센싱부인 나노와이어는 브리지 형태의 구조물로 형성시키는 것을 특징으로 하며, 상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시키고, 사용 압력 범위에 따라 막의 두께를 조절하여 형성시킬 수 있다.
상기 제 5 단계의 접착물질은 마모 작업시 상기 제 1 기판이 잘 떨어지지 않으며, 마모 공정이 끝난 후에는 별도의 화학물질이나 공정없이 쉽게 떨어지는 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 플렉서블 기판에 형성된 청구항 1항에 따른 복수개의 압력센서; 상기 복수의 압력센서의 신호선의 배선공정을 통해 외부 회로 및 기기와의 연결용 인터페이스부를 포함하는 5.1 채널 마이크로폰 제작용 플렉서블 마이크로폰 어레이; 및 상기 마이크로폰 어레이에 부착되며, 캡이 씌어진 별도의 기계 가동물을 포함하는 5.1 채널 마이크로폰을 제공하는데, 상기 기계 가공물의 각 면의 중심에는 작은 홀이 형성되어 있어 플렉서블 마이크로폰이 부착되었을 때 센싱 부위에 캐비티가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 스핀 코팅 공정시 기판 회전속도 조절을 멤브레인의 두께를 정밀하게 조절할 수 있으므로 코팅되는 멤브레인의 두께를 달리해주면 사용할 수 있는 압력 범위를 자유롭게 선택할 수 있으며, 플렉서블 기판을 이용하여 5.1채 널 마이크로폰과 같이 여러 개의 마이크로폰의 집적이 필요한 소자에 있어서 소형화하기에 매우 유용한 형태로 소자를 제작할 수 있으며, 기판을 자유자재로 구부릴 수 있기 때문에 조립공정이 매우 단순해지므로 제품의 소형화가 매우 유리한 효과가 있다.
본 발명은 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 멤브레인 막 상에 형성되고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 사진식각공정을 통해 제거된 플렉서블 기판; 및 상기 중앙 센싱부의 멤브레인 막이 드러날 때까지 마모된 제 1 기판 하부에 형성되고, 상기 센싱부에 진공 또는 기준압력을 캐비티 형성을 위해 부착된 캡을 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 플렉서블 기판에 형성된 청구항 1항에 따른 복수개의 압력센서; 상기 복수의 압력센서의 신호선의 배선공정을 통해 외부 회로 및 기기와의 연결용 인터페이스부를 포함하는 5.1 채널 마이크로폰 제작용 플렉서블 마이크로폰 어레이; 및 상기 마이크로폰 어레이에 부착되며, 캡이 씌어진 별도의 기계 가동물을 포함하며, 상기 기계 가공물의 각 면의 중심에는 작은 홀이 형성되어 있어 플렉서블 마이크로폰이 부착되었을 때 센싱 부위에 캐비티가 형성된 것을 특징으로 하는 5.1 채널 마이크로폰을 제공한다.
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 3은 실리콘 나노와이어의 크기에 따른 압저항 계수의 분포를 나타내는 그래프로서, 상기 그래프에 따르면, 실리콘 나노와이어의 단면적이 104 nm2 (정사각형 크기로 환산하면 100nm X 100nm 수준)이하로 줄어들면 길이방향 압저항 계수(longitudinal piezoresistance coefficient)는 급격히 증가하는 반면 횡방향 압저항 계수(longitudinal piezoresistance coefficient)는 급격히 감소함으로 인해 압저항 계수의 합산 값이 크게 증가하기 때문에, 실리콘 나노와이어의 압저항 효과를 이용하여 마이크로폰 및 압력센서 등을 제작할 경우 고감도 센서의 구현이 가능 할 것으로 기대된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 기판을 이용한 압력센서를 나타내는 단면도이다. 상기 압력센서(A)는 공중에 떠 있는 브릿지 형태의 실리콘 나노와이어(100), 제 1 기판 상에 형성된 전극층(101), 멤브레인 막(102), 플렉서블 기판(103) 및 기준압력 형성을 위한 캐비티 형성을 위해 부착되는 캡(104)으로 구성되어 있다.
상기 도 4에 나와 있는 것과 같이, 실리콘 기판을 가공하여 다리(bridge)형태의 나노와이어 구조물(100)을 제작한 후 그 위에 멤브레인 막(102)을 형성시킨 구조이다. 상기 압력센서의 작동원리는 음압이 가해지면 멤브레인 막(102)이 움직이고, 이 때 멤브레인 막에 붙어있는 실리콘 나노와이어(100)가 같이 줄어들거나 늘어나게 되어 나노와이어에 기계적인 스트레스가 가해지게 되는데 이로 인해 실리콘 나노와이어의 저항이 변하는, 즉 압저항 효과를 이용하여 음압을 감지하게 된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 나노와이어를 이용한 압력센서의 장점은 매우 얇은 멤브레인의 형성이 가능하기 때문에 음압과 같이 매우 낮은 압력범위에서도 사용할 수 있고, 플렉서블 기판(103)을 이용한 압력센서 제조공정을 바탕으로 플렉서블한 형태의 마이크로폰 제작이 가능하므로 플렉서블 기판상에 여러 개의 마이크로폰의 동시 제작 및 전기 배선이 가능하다.
따라서, 5.1채널 마이크로폰과 같이 여러 개의 마이크로폰의 집적이 필요한 소자에 있어서 소형화하기에 매우 유용한 형태로 소자를 제작할 수 있으며 기판을 자유자재로 구부릴 수 있기 때문에 조립공정이 매우 단순해지므로 제품의 소형화가 매우 유리한 것이 장점이다.
먼저, 상기 실리콘 나노와이어 제조공정에 대해서 상세히 설명한다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 제조공정을 단계별로 나타낸 공정도이다.
상기 도면을 참조하면, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 나노와이어를 제조하는 것으로, 결정구조가 (100) 방향을 갖는 실리콘 기판에 제 1 열산화막을 열산화 증착시키고(도 5a), 사진식각 공정으로 식각할 부분의 산화막을 제거한다. 실리콘 나노와이어를 위한 마스크 패턴의 선폭은 0.4㎛ 내지 2㎛ 이며, 전자빔 리소그라피(e-beam lithography)를 사용할 필요없이 사진식각 공정을 이용하여 패턴을 형성할 수 있다.
deep-RIE 공정과 같은 실리콘 건식식각 공정으로 실리콘 이방성 식각을 통해 칼럼구조(320)를 형성하고(도5b), 칼럼구조(320)의 식각 깊이는 후술하는 실리콘 나노와이어의 트랜스퍼 공정시 용이한 정도의 깊이로 조절한다.
다음으로, 형성된 칼럼구조(320)에 KOH 등의 실리콘 이방성 식각 용액을 이용하여 실리콘 기판(300)을 습식식각한다. (도 5c) 습식식각을 통해 실리콘 기판(300)의 (100) 결정 방향의 식각 특성으로 인해 실리콘 구조물(360)은 단면이 소정의 경사를 갖는 역삼각형 구조로 형성된다.
실리콘 습식식각이 완료되고 산화막(310)을 제거한 후 수십 ㎚ 크기의 직경 을 갖는 실리콘 나노와이어(350)를 제조하기 위해 실리콘 기판(300)을 2차 열산화시킨다. (도 5d) 상기 2차 열산화 공정의 시간을 조절함으로써 실리콘 나노와이어(350)의 직경을 수십 ㎚ 정도로 조절할 수 있게 된다.
마지막으로 실리콘(300)이 2차 열산화되어 생성된 제 2 열산화막(330)을 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식 식각방법 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 제거함으로써 수십 ㎚ 크기의 직경을 갖는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 길이의 실리콘 나노와이어(350)를 얻는다. (도 5e)
다음으로 도 5f를 참조하면, 실리콘 나노와이어(350)는 2차 실리콘 산화막(330)이 제거되면 공중에 떠 있는 구조(free standing)가 되기 때문에 제 2 열산화막(330)을 제거하는 동안 실리콘 나노와이어(350)가 소실되거나 손상되지 않도록 고정시키기 위해 실리콘나노와이어(350)의 양쪽 끝단을 지지기둥 구조물(340)로 형성시킨다. 상기 지지기둥 구조물(340)은 실리콘 나노와이어(350)의 선폭보다 넓은 폭을 가짐으로써 제2열산화막(330)을 제거한 후에도 실리콘 기판(300)에 안정적으로 남아 있게 된다.
상기 지지기둥 구조물(340)의 크기는 실리콘 나노와이어(350)의 선폭보다는 넓은 폭을 가지도록 해야 하지만, 후술하는 기판 접착 과정에서 제 2 기판과의 넓은 접촉면적을 유지할 수 있도록 가능한 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘 기판(300)과 기판의 상부에 위치하는 실리콘 나노와이어(350) 사이의 거리는 수십 ㎚ 내지 수 ㎛가 바람직하며, 상기 거리는 건식식각된 칼럼구조(320)의 깊이와 나노와이어 구조물(360) 형성시 이용한 습식식각을 통한 실리콘 기판(300)의 식각 정도에 의해 결정됨이 바람직하다. 추후 실리콘 나노와이어(350) 사용시 실리콘 나노와이어(350)는 저항 및 전도성을 가져야 함이 바람직하고, 이러한 저항 및 전도성은 실리콘 기판(300)에 주입되는 불순물의 종류와 도핑 농도에 따라 조절이 가능하다.
다음으로, 상기의 제조공정으로 제작된 실리콘 나노와이어 구조물에 추가 공정을 통해 압력센서를 제작하는 공정에 대해서 설명한다.
도 6a 내지 6h는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 압력센서 제조공정에 대한 단계도이다.
본 발명에 의한 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조 방법은 앞서 제작된 실리콘 나노와이어 브릿지 구조물(도 6a, 100)이 형성된 기판(50)에 전극층(101)을 형성한다. (도 6b) 상기 실리콘 나노와이어는 공중에 떠있는 브릿지 형태로 제작하는 것이 바람직하나, 공중에 떠있지 않고 유전체 등으로 매립되어 있는 구조도 가능하며, 상기 전극층으로 사용되는 재질로는 반도체 공정장비로 형성이 용이한 Al, Au 등이 바람직하다.
그런 다음 폴리머 막을 코팅하여 얇은 멤브레인 막(102)을 형성하고 사진식각공정을 통해 전극의 일부를 노출킨다. (도 6c) 상기 멤브레인 막(102)으로는 폴리머 또는 실리콘 질화막 등을 사용하여 얇은 막으로 코팅하여 형성시킨다. 다만, 도면에서와 같이 상기 전극층은 일부분이 노출되도록 상기 멤브레인 막을 형성한다. 상기 멤브레인 막의 두께에 따라 센싱하는 음압의 범위가 결정되는데, 예를 들어 상기 멤브레인 막을 구성하는 폴리머가 얇을수록 낮은 음압에서도 잘 반응하지만, 상기 폴리머가 두꺼우면 낮은 음압에는 둔감해지는 현상이 생기므로, 이를 이용하여 적절한 두께로 형성시키는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인 막(102)은 폴리이미드 같은 폴리머 계열의 재료를 스핀 코팅하여 형성하며, 스핀 코팅시 기판 회전속도를 달리하여 두께를 조절할 수 있다. 상기 폴리머 코팅시 스핀 코팅 대신에 스프레이 코팅도 가능하다. 상기 폴리머 재료는 열적, 기계적으로 매우 안정하며, 또한 화학적으로도 매우 안정한 재료를 사용함으로써 온도 및 습도 등 외부 환경의 영향을 크게 받지 않도록 한다. 또한, 상기 멤브레인 막의 형성시 스핀코팅 대신에 실리콘 질화막과 같은 반도체 장비를 이용하여 코팅할 수 있는 유전체 막도 가능하다.
상기와 같이 멤브레인이 형성된 후 그 위에 기계적인 지지물(supporter) 또는 기판 역할을 할 수 있는 플렉서블 기판(103)을 형성하기 위해 두꺼운 유전체 막을 코팅하고 패터닝한다. (도 6d) 상기 플렉서블 기판(103)은 점도가 높은 폴리머를 사용하여, 코팅하고 패터닝하여 두껍게 형성시키며, 이 때 중앙의 압력센싱 부위에는 1 차로 형성시킨 얇은 멤브레인만이 존재하도록 2 차로 코팅한 두꺼운 폴리머는 사진식각공정을 통해 제거되도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 플렉서블 기판을 형성한 후에, 접착물질(201)이 형성된 제2의 dummy 기판(200)을 부착시킨다. (도 6e) 상기 더미 기판(200)은 제 1 기판의 마모작업시 전체적으로 지지하는 기능을 하며, 상기 접착물질은 접착성이 있어, 마모(grinding) 작업에서 제 1 기판이 잘 떨어지지 않아야 하며, 또한 마모 공정후 상기 플렉서블 기판을 제 2 기판으로부터 분리해 때 별도의 화학물질이나 공정이 필요 없이 손으로도 간단하게 떼어낼 수 있는 재료가 바람직하다.
다음으로, 나노와이어(100)가 형성되어 있는 제1의 실리콘 기판(50)의 하부를 grinding 하여 나노와이어를 둘러싸고 있는 폴리머 멤브레인(102)이 드러나도록 한다. (도 6f) 상기 제1의 실리콘 기판(50)의 하부를 grinding시 중앙 센싱 부위의 폴리머 멤브레인(102)이 드러날 때까지 grinding할 경우 멤브레인 막이 상할 수 있으므로 약간의 두께의 실리콘이 남도록 grinding 한 후 별도의 건식식각 공정을 이용하 중앙 부위의 실리콘을 제거하는 것도 바람직하다.
이 후, 실리콘 나노와이어(100)를 센서가 형성된 플렉서블 기판(103))을 제2의 dummy 기판(200)으로부터 분리시키고, (도 6g) 상기와 같이 분리된 플렉서블 기판(103)에 진공 또는 기준압력의 cavity를 형성하기 위해 cap 구조물(104)을 부착한다. (도 6h) 상기와 같이 진공 또는 기준 압력의 cavity 형성을 위한 cap 부착시 cavity 내에 기준 압력을 유지할 수 있는 gas 또는 액체를 삽입하는 것도 가능하다. 상기 cap의 두께는 외부의 압력이 가해졌을 때 변형이 생기지 않는 정도의 두께 이상이 바람직하며, 이는 오직 플렉서블 기판(103)에 형성된 멤브레인(102)만이 변형되어 압력 감지를 할 수 있게 하기 위함이다.
도 7a 내지 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기와 같이 제작된 플렉서블 기판을 이용하여 제작된 압력센서를 이용하여 5.1채널의 마이크로폰을 제작하기 위한 플렉서블 마이크로폰 어레이를 나타내는 평면도이다.
상기 마이크로폰 어레이(300)는 상기 플렉서블 기판을 이용한 압력센서(B) 제조 공정을 바탕으로, 플렉서블 기판(301) 상에 복수의 압력센서(400)를 제작하고, 제작된 복수의 마이크로폰의 신호선의 배선 공정을 통해 외부 회로 및 기기와의 연결용 인터페이스부(302)를 형성하는 단계로 이루어진다. 상기 각 압력센서(B)는 상기에서 설명한 것과 같이 나노와이어(304), 전극층(303) 및 멤브레인 막(305)으로 구성된다.
상기 도 7과 같이, 5.1채널 마이크로폰을 구성하는 복수개의 마이크로폰(마이크로폰 어레이)이 한개의 플렉서블 기판상에 동시에 제작되어 있으며, 각 마이크로폰의 신호선들은 기판상에 메탈 전극의 형태로 배선되어 있으며 플렉서블 기판위에 제작되었기 때문에 자유롭게 구부릴 수 있는 장점이 있다. 상기 신호선들의 배선은 압력센서 제조공정에서 멤브레인의 형성 공정후에 메탈 증착 및 패터닝 공정을 통해 이루어지며, 신호선 배선 공정후에 두꺼운 폴리머를 코팅하여 패터닝 하는 공정을 통해 플렉서블 기판을 형성한다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플렉서블 마이크로폰 어레이를 이용하여 ambisonic 형태의 5.1 채널 입체음향 소자를 제작과정을 나타내는 조립도이다.
도 8a 내지 8e를 살펴보면, 4각뿔형태의 구조물에 제작된 플렉서블 마이크로폰 어레이를 둘러싸듯이 접착시킨 후 마지막으로 커버를 씌우면 마이크로폰 제작이 완료된다. 먼저 도 8a를 살펴보면, 상기 4각뿔의 구조물의 면 중심부에는 작은 홀(500)이 형성되어 있어 플렉서블 마이크로폰이 면에 접착되면 cavity가 형성되는 구조이다. 한편, 도 8e를 참조하면, 조립이 완료된 후 각 마이크로폰의 신호선들 은 플렉서블 기판의 인터페이스부에 모두 정렬되어 노출되기 때문에 다른 기기와의 연결이 손쉽게 이루어진다. 즉, 기존의 제품에서 4~5개의 단품 마이크로폰을 기계구조물에 장착한 후 각각의 신호선들을 따로 빼내야 하는 등 조립과정에서의 부가적인 작업이 많이 필요하고 이런 과정을 통해 소자의 크기가 커질 수밖에 없지만, 본 발명에 의한 5.1채널 마이크로폰 제조 방법에서는 플레서블 기판 위에 신호선들이 동시에 형성되므로, 조립과정에서 신호선들을 따로 빼는 등의 부가적인 작업이 거의 필요 없기 때문에 조립공정이 매우 단순하며 이를 통해 제품의 소형화가 가능하다.
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 것이다.
도 1은 종래의 MEMS 공정에 의한 압력센서를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 2c는 종래의 기술에 의한 5.1채널 마이크로폰 제품을 나타내는 단면도이다.
도 3은 실리콘 나노와이어의 크기에 따른 압저항 계수의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 기판을 이용한 압력센서를 나타내는 단면도이다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 제조공정을 단계별로 나타낸 공정도이다.
도 6a 내지 6h는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 압력센서 제조공정에 대한 단계도이다.
도 7a 내지 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기와 같이 제작된 플렉서블 기판을 이용하여 제작된 압력센서를 이용하여 5.1채널의 마이크로폰을 제작하기 위한 플렉서블 마이크로폰 어레이를 나타내는 사시도이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플렉서블 마이크로폰 어레이를 이용하여 ambisonic 형태의 5.1 채널 입체음향 소자를 제작과정을 나타내는 조립도이다.

Claims (24)

  1. 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있고, 상기 중앙 센싱부의 멤브레인 막이 드러날 때까지 실리콘 몸체가 마모된 제 1 기판;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층;
    상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막;
    상기 멤브레인 막 상에 형성되고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 식각공정을 통해 제거된 플렉서블 기판; 및
    상기 센싱부에 진공 또는 기준압력을 위한 캐비티 형성을 위해 부착된 캡을 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부인 실리콘 나노와이어는 브릿지 형태의 구조물로 제 1 기판의 중앙부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시킨 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 멤브레인 막을 코팅시키는 방법은 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅법을 사용하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분은 사진식각공정을 통해 제거된 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 기판을 멤브레인 막이 상하지 않도록 약간의 두께의 실리콘이 남 도록 마모시킨 후, 별도의 식각공정을 통해 중앙의 센싱부의 나노와이어 하부에 형성된 실리콘을 제거시킨 후 캡을 부착시킨 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부인 나노와이어와 상기 멤브레인 막 사이에는 유전체가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 센싱부인 나노와이어는
    실리콘 기판에 제 1 열산화막을 형성하는 제 1 단계;
    상기 실리콘 기판에 칼럼구조를 형성하는 제 2 단계;
    칼럼구조가 형성된 상기 실리콘 기판에 지지기둥 구조물 및 나노와이어 형성을 위한 역삼각형의 실리콘 구조물을 형성하는 제 3 단계;
    상기 제 1 열산화막을 제거하는 제 4 단계;
    상기 실리콘 기판에 제 2 열산화막을 형성하는 제 5 단계; 및
    상기 제 2 열산화막을 제거하는 제 6 단계를 포함하는 단계로 제조되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 6 단계는 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식식각 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식식각을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 나노와이어의 단면 크기 조절은 상기 제 2 열산화막 형성 두께을 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 지지기둥 구조물은 상기 나노와이어의 양쪽 끝이 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지기둥 구조물과 나노와이어 연결부분은 제 2 열산화막 제거후 스트레스가 집중되어 가해지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 단계는 건식식각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 3 단계는 이방성 식각 용액을 사용하여 습식식각하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 나노와이어의 단면은 역삼각형 구조인 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 나노와이어의 길이는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛로 형성시킨 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서.
  18. 제 1 기판에 센싱부인 나노와이어 구조물을 형성시키는 제 1 단계;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상에 전극층을 형성시키는 제 2 단계;
    상기 제 1 기판 상에 상기 전극층을 노출시키는 구조로 멤브레인 막을 형성시키는 제 3 단계;
    상기 멤브레인 막 상에 플렉서블 기판을 형성시키고, 상기 전극층 및 센싱부에 대응되는 부분의 상기 플렉서블 기판을 식각공정을 통해 제거시키는 제 4 단계;
    상기 플렉서블 기판 상에 접착물질을 매개로 하는 더미 기판을 형성시키는 제 5 단계;
    상기 더미 기판을 형성시킨 후, 제 1 기판 하부를 마모시켜 나노와이어를 감싸고 있는 멤브레인 막을 노출시키는 제 6 단계;
    상기 더미 기판을 분리시키는 제 7 단계; 및
    상기 제 1 기판의 중앙 센싱부 하부에 진공 또는 기준압력 캐비티 형성을 위한 캡을 부착하는 단계를 포함하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 1 단계의 센싱부인 나노와이어는 브리지 형태의 구조물로 형성시키 는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시키는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 사용 압력 범위에 따라 막의 두께를 조절하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법.
  22. 청구항 18에 있어서,
    상기 제 5 단계의 접착물질은 마모 작업시 상기 제 1 기판이 잘 떨어지지 않으며, 마모 공정이 끝난 후에는 별도의 화학물질이나 공정없이 쉽게 떨어지는 재질인 것을 특징으로 하는 플렉서블 기판을 이용한 압력센서 제조방법.
  23. 플렉서블 기판에 형성된 청구항 1항에 따른 복수개의 압력센서;
    상기 복수의 압력센서의 신호선의 배선공정을 통해 외부 회로 및 기기와의 연결용 인터페이스부를 포함하는 5.1 채널 마이크로폰 제작용 플렉서블 마이크로폰 어레이; 및
    상기 마이크로폰 어레이에 부착되며, 캡이 씌어진 별도의 기계 가동물을 포함하는 5.1 채널 마이크로폰.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 기계 가공물의 각 면의 중심에는 작은 홀이 형성되어 있어 플렉서블 마이크로폰이 부착되었을 때 센싱 부위에 캐비티가 형성된 것을 특징으로 하는 5.1채널 마이크로폰.
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