KR101204281B1 - 반도체 마이크로폰 칩 - Google Patents

Abstract

본 발명인 반도체 마이크로폰 칩은 마이크로폰 칩 기술에 관한 것으로서, 일종의 진동막이 상부에 위치하고, 백-일렉트릿(back electret)이 아래에 위치하는 콘덴서 구조이다. 진동막은 파문(波紋) 형태의 빔을 통하여 주위의 프레임, 지탱부와 서로 연결되어 진동막의 잔여 응력을 충분히 방출해주며, 진동막에 무수한 정렬 형태의 미세한 홈이 구비되어, 진동막을 지탱해주고 또한 새어나가는 소리를 감소시키는 역할을 한다. 진동막에 개설되는 무수한 소형 구멍은 마이크로폰 칩을 제작할 때 백 일렉트릿 음향 구멍과 결합하여 진동막과 백 일렉트릿 사이에 원래 존재하는 희생층(sacrificial layer)을 방출한다. 본 발명은 높은 민감도, 낮은 잡음신호, 넓은 주파수 대역폭 등의 특성을 지니고 있으며, 칩의 부피가 작아 제작 공정이 간단하고 대량생산을 실현하기가 용이하다.

반도체 마이크폰 칩

Description

반도체 마이크로폰 칩{Semiconductor microphone chip}

도 1은 본 발명인 콘덴서 마이크로폰 칩 구조의 단면도이다.

도 2는 본 발명 중 원형 진동막 콘덴서 마이크로폰 칩의 평면도이다.

도 3은 본 발명 중 다각형 진동막 콘덴서 마이크로폰 칩의 평면도이다.

도 4는 본 발명인 콘덴서 실리콘 마이크로폰 칩의 저면도이다.

도 5a, 도 5b,도 5c는 본 발명의 박막전극 분포도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21: 진동막 22: 지탱부

23: 백 일렉트릿(back electret) 24: 기판

25: 파문 형태의 빔 26: 음향 구멍

27: 백 캐비티(back cavity) 28: 마이크로 요면(micro concave)

29: 소형 구멍 30: 전극

본 발명은 마이크로폰 칩 기술 분야에 속하며, 특히 일종의 잔여 응력을 감소시키는 진동막을 구비한 콘덴서 마이크로폰 칩에 관한 것이다.

1983년 로이어(Royer)는 실리콘 웨이퍼에 최초의 마이크로폰을 제작함으로써 각계의 주목을 끌었고, 각종 마이크로폰이 계속해서 실리콘 웨이퍼 위에 개발되었다. 그 중 가장 주요하고도 가장 인기가 있는 하나는 콘덴서 실리콘 마이크로폰이다. 콘덴서 실리콘 마이크로폰은 부피가 작고, 민감도가 높으며, 주파수 응답 특성이 우수하고 잡음 신호가 낮은 특징을 지니고 있을 뿐만 아니라, 더욱 중요한 점은 작업 온도 범위가 매우 넓어 SMT 등 자동화 생산라인의 작업과 열악한 작업 환경에 적응 가능하다는 것으로서, 현재 어떠한 마이크로폰도 이를 대체할 수 없으며, 이는 마이크로폰에 더욱 광범위한 응용 공간을 개척해놓았다.

콘덴서 마이크로폰 칩은 실리콘웨이퍼에 마이크로 기계가공기술을 이용하여 제작한 일종의 음향 센서로서, 그 기능 구조는 진동막과 백 일렉트릿으로 구성되는 콘덴서이다. 진동막의 잔여 응력은 마이크로폰 칩의 민감도에 직접적으로 영향을 미치며, 잔여 응력이 클수록 민감도는 낮아지므로, 낮은 잔여 응력을 지니는 진동막은 마이크로폰 제품을 제작하는데 있어서 대단히 중요하다. 낮은 응력의 진동막에 대한 연구는 이미 매우 많으며, 효과 면에서 볼 때, 자유진동막 구조를 채택하면 진동막의 잔여 응력을 완전히 제거할 수 있으나, 이와 동시에 공정의 난이도 문제를 고려해야만 한다. 공정의 난이도와 진동막 민감도의 개선 효과 두 가지 방면을 저울질해볼 때, 낮은 응력의 박막을 기판의 국부와 연결시키는 방식을 채택하는 것이 괜찮은 방법이다. 미국 특허 5,452,268과 5,146,435, 중국 공개 특허 200410100283.3 및 문헌(The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich Germany, June, 10-14, 2001)에서는 모두 상이한 형상의 빔 구조를 이용하여 진동막의 잔여 응력을 방출하는 방법으로 진동막의 기계 민감도를 향상시킬 수 있음을 설명하고 있는데, 빔 가운데가 모두 직각 구조를 이루고 있어, 잔여 응력이 빔 부분을 통하여 방출기는 하나, 빔의 직각구조 부위의 응력이 집중되어 끊어지거나 왜곡 변형되는 현상이 발생하기 쉽다.

본 발명의 목적은 종래의 마이크로폰 칩 기술에 존재하는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 주요하게는 진동막 중 잔여 응력을 어떻게 방출할 것인가 하는 점과 빔 구조의 응력 집중 문제에 대하여, 일종의 파장 형상의 빔 구조를 이루는 진동막을 구비하여 진동막과 백 일렉트릿으로 형성되는 콘덴서 구조를 제시하였다. 음파가 진동막에 진동을 발생시키면, 콘덴서 구조를 통하여 진동 신호를 전기 신호로 전환시키게 되는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 기술 해결 수단으로 일종의 반도체 마이크로폰 칩을 제시하는 바, 진동막을 상부 위치에 두고, 백 일렉트릿을 아래에 두는 구조로서, 진동막, 지탱부, 백 일렉트릿 및 기판(substrate)을 포함한다.

기판 중간에 백 캐비티(back cavity)를 갖추고, 기판 상부 표면을 백 일렉트릿의 하부 표면과 절연 형태로 고정 연결시킨다.

백 일렉트릿에는 백 캐비티 범위 내에 음향 구멍을 갖추고, 백 일렉트릿 상부 표면을 프레임 방식의 지탱부 하부 표면과 절연 형태로 고정 연결하되, 프레임 방식으로 지탱되는 중간 구멍은 백 캐비티의 내경보다 크도록 한다.

지탱부의 상부 표면은 진동막의 가장자리 프레임 하부 표면과 서로 연결한다. 그 진동막 주변은 파문 형태의 빔을 통하여 프레임, 지탱부와 서로 연결시키며, 진동막 주변 내측에 정렬 배열된 마이크로 요면(micro concave)과 소형 구멍을 설치하고, 마이크로 요면이 아래로 돌기하여 백 일렉트릿 상부 표면과의 사이에 공간이 생기도록 한다.

진동막과 백 일렛트릿으로 구성되는 콘덴서 구조에 전압을 가할 때, 마이크로 요면은 진동막이 백 일렉트릿과 점착되는 것을 방지하고 빔 부위에 소리가 새어나가는 것을 감소시켜준다. 마이크로폰 칩을 제작할 때, 소형 구멍은 백 일렉트릿 상의 음향 구멍과 결합하여 진동막과 백 일렉트릿 사이에 원래 존재하는 희생층(sacrificial-layer)을 방출한다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 기판은 반도체 재료인 실리콘이다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 지탱부는 절연재료이다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 절연재료는 산화실리콘이다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 진동막은 원형 또는 다각형이다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 진동막에 정렬 배열된 마이크로 요면이 소형 구멍과 교차 배열되도록 한다. 마이크로 요면과 소형 구멍은 사각형 또는 원형이며, 소형 구멍은 백 일렉트릿 상의 음향구멍보다 작고, 마이크로 요면과 진동막은 일체형으로 형성한다.

상기 마이크로폰 칩은 상기 진동막 주변과 파문 형태의 빔 사이에 적어도 4 개의 접촉점이 존재한다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 진동막은 절연재질로 제작하여, 그 표면에 박막전극을 설치하고, 박막전극은 마이크로 요면을 둘러싼 범위 안에 두며, 전체적인 백 일렉트릿은 전도층이다.

상기 마이크로폰 칩에서, 상기 백 일렉트릿은 절연재질로 제작하여 그 표면에 각각 박막전극을 설치하고, 두 개의 박막전극 중심이 서로 마주보도록 하며, 진동막을 박막전극이 마이크로 요면으로 둘러싸인 범위 안에 두는 동시에, 백 일렉트릿의 박막전극은 마이크로 요면이 백 일렉트릿 상에서 투영을 제한하는 범위 이내에 위치시킨다.

본 발명의 파문형태의 빔은 진동막과 주위의 가장자리 프레임을 연결하여, 진동막 상의 잔여 응력이 진동막에서 방사상으로 변형되는 파문형태의 빔을 통하여 방출되도록 하는 것으로서, 빔 부분에 직각 구조가 존재하지 않고 모두 매끄러운 곡선이므로, 빔에 응력의 분포가 집중되지 않아 응력 집중으로 인한 빔의 파열과 변형 문제를 해결할 수 있다.

빔이 없는 진동막과 비교할 때, 작동 전압을 인가한 경우, 상기 진동막은 백 일렉트릿과 점착 연결되기 쉬우므로, 마이크로전자기계 시스템(MEMS)의 상용 공정을 이용하여 진동막 가장자리에 정렬 배열된 마이크로 요면을 이용하여 전압을 인가한 후 진동막과 백 일렉트릿의 거리를 유지시킴으로써 진동막과 백 일렉트릿의 점착 연결을 방지한다. 그밖에, 빔 부위에 틈새가 있을 경우 소리가 새나갈 수 있어 마이크로폰의 저주파수 민감도에 영향을 주므로, 밀집되게 분포되는 마이크로 요면을 제작하여 빔 부위의 소리가 새는 현상을 감소시킬 수 있다.

진동막이 진동할 때의 음향저항을 감소시키기 위하여 백 일렉트릿에 음향 구멍을 제작한다. 본 발명 중 음향 구멍 분포구역은 진동막이 복개된 구역보다 작으며, 마이크로 요면이 백 일렉트릿에 투영되는 범위 이내에 위치하도록 하였다. 그 목적 역시 소리가 새는 것을 감소시키기 위한 것이다. 진동막의 가장자리에 약간의 소형 구멍을 설치하여 백 일렉트릿의 음향 구멍과 함께 진동막과 백 일렉트릿의 사이에 원래 존재하는 희생층을 방출한다. 음향 구멍의 분포 형상은 백 일렉트릿의 음향 구멍 분포 형상과 관련이 있으며, 양자는 상하로 상호 보완적으로 분포시킨다.

상기 구조의 마이크로폰 칩은 높은 민감도, 낮은 잡신호, 넓은 주파수대역 등의 특성을 지닌다.

본 발명은 여러 가지 형식이 다른 실시예가 있으며, 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것으로서, 상기 실시예에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 콘덴서 마이크로폰 칩을 도시한 것으로서, 그 구조는 위로부터 아래로 진동막(21), 지탱부(22), 백 일렉트릿(23), 기판(24)을 포함한다. 진동막(21)과 백 일렉트릿(23)은 전도성 재료로 제작되며, 콘덴서 구조를 형성한다. 진동막(21)은 파장형상의 빔(25)을 통하여(도 2, 도 3 참조) 지탱부(22)와 연결된다. 백 일렉트릿(23)에 음향 구멍(26)이 구비된다. 기판(24)의 중심부에 백 캐비티(27)가 마련되며, 음향 구멍(26)은 백 캐비티(27)의 범위 안에 위치한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 진동막(21)은 빔(25)을 통하여 가장자리 프레임, 지탱부(22)와 서로 연결되며, 빔(25)은 파문 형태의 구조를 이루고, 진동막(21)은 원형 구조이다. 파문 형태의 빔(25)과 진동막(21)은 고르게 서로 연결되며, 진동막(21)이 빔(25)의 힘을 받아 고르게 분포되므로 진동막(21)이 쉽게 변형되거나 파열되지 않는 동시에, 빔(25)이 파문 형태를 띠고 직각 구조를 지니지 않기 때문에, 빔(25) 상의 응력 분포가 집중되지 않는다. 진동막(21)의 잔여 응력의 작용 하에, 파문 형태의 빔(25)은 진동막(21)에서 방사상으로 미세한 변형이 일어나게 되는데, 이러한 미세 변형은 진동막(21) 상의 잔여 응력을 방출해준다. 이러한 빔 구조의 방출 효과는 주로 빔(25)의 너비 및 빔(25)과 진동막(21)의 연결점 수량과 관계가 있다. 파문 형태의 빔(25) 너비가 좁을수록 접촉점의 수량이 적어지며, 진동막 잔여 응력의 방출 효과도 더욱 우수해진다. 접촉점의 수량은 적어도 4개 이상이다.

발명 중 콘덴서 구조에 전압이 가해질 때 점착 연결되는 현상을 방지하기 위하여, 진동막(21) 가장자리에 마이크로 요면(28)이 설치된다. 마이크로 요면(28)과 진동막(21)은 일체형을 이루고, 마이크로 요면(28)이 백 일렉트릿(23)과 분리되도록 마이크로 전자기계시스템(MEMS) 상용 가공 공정으로 형성한다. 마이크로 요면(28)은 정렬 형태로 배열 분포되며, 사각형 또는 원형을 이룬다. 마이크로 요면(28)을 밀집시키면 소리가 새나가는 것을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 마이크로 요면(28)의 진열 중간에 정렬로 분포되는 소형 구멍(29)이 구비되며, 소형 구멍(29)은 사각형 또는 원형으로, 소형 구멍(29)이 백 일렉트릿 상의 음향 구멍(26)과 함께 원래 진동막(21)과 백 일렉트릿(23) 사이에 끼어있는 희생층을 제거하게 된다. 진동막 상의 소형 구멍(29)은 백 일렉트릿 상의 음향 구멍(26)보다 작아야 한다.

진동막(21)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같은 원형 형상 이외에도 도 3에 도시된 바와 같이 다각형 형상으로 제작할 수 있다. 여기서는 도 2에 도시된 형상을 예로 들어 설명하고 있으나, 결코 이에 국한되지 않는다.

지탱부(22)는 절연체로서, 반도체 재료인 산화실리콘을 사용할 수 있다. 백 일렉트릿(23) 하부 표면과 기판(24)은 비전도성으로 서로 연결된다. 백 일렉트릿(23)에 사각형 또는 원형의 음향 구멍(26)이 개설되며, 음향 구멍(26)은 마이크로 요면(28)이 백 일렉트릿에 투영되는 범위 이내에 설치된다. 음향 구멍(26)의 작용은 진동막(21)이 진동하는 과정 중 음향 저항을 감소시키는 데 있으며, 백 일렉트릿(23)의 경도는 진동막(21)보다 훨씬 강해야 한다. 진동막(21)이 음파를 수신하여 진동할 때, 백 일렉트릿(23)은 강성을 유지해야 한다.

기판(24)은 반도체 재료인 실리콘을 사용할 수 있으며, 실리콘 재료의 기판(24) 중심부의 백 캐비티(27)는 실리콘 부식 공정으로 형성되며, 음향 구멍(26)은 도 4에 도시된 바와 같이 백 캐비티(27) 범위 이내에 위치한다.

콘덴서를 형성하기 위하여, 진동막(21)과 백 일렉트릿(23)은 전도성 전극을 포함하는데, 기생 콘덴서를 감소시키고 두 전극 사이의 절연을 보장하기 위하여 두 전극의 중심이 서로 마주보도록 하고, 또한 마이크로 요면(28) 구역 및 그 밖의 구역이 중첩되지 않도록 한다. 구체적으로는 다음과 같은 3 가지 구조를 채택할 수 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 진동막(21)의 전극(30)은 마이크로 요면(28)으로 둘러싸인 범위 안에 위치하도록 하고, 전체적인 백 일렉트릿(23)을 전도층으로 한다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 백 일렉트릿(23)의 전극(31)은 마이크로 요면(28)이 백 일렉트릿에서 투영을 제한하는 범위 안에 위치하도록 하며, 전체적인 진동막(21)은 전도층으로 한다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 진동막(21)의 전극(30)이 마이크로 요면(28)으로 둘러싸인 범위 안에 위치하도록 하는 동시에 백 일렉트릿(23)의 전극(31)은 마이크로 요홈(28)이 백 일렉트릿(23)상의 투영을 제한하는 범위 안에 위치시킨다.

본 발명의 진동막(21)의 경도는 백 일렉트릿(23)의 경도보다 훨씬 작으며, 음파의 작용 하에, 진동막(21)에 진동이 발생하면, 진동막(21)의 전극(30)과 백 일렉트릿(23)의 전극(31)이 형성하는 콘덴서의 정전용량(capacitance value)에 변화가 발생하여, 그 변화량으로 소리의 강약을 반응해 내는 것이다.

상기 구조의 마이크로폰 칩은 높은 민감도, 낮은 잡신호, 넓은 주파수 대역 등의 특성을 지닌다.

Claims (10)

1. 반도체 마이크로폰 칩은 진동막이 상부에 위치하고, 백 일렉트릿이 하부에 위치하는 구조를 이루고, 진동막, 지탱부, 백 일렉트릿 및 기판을 포함하며;

   기판 중간에 백 캐비티가 구비되고, 기판 상부 표면이 백 일렉트릿의 하부 표면과 절연 방식으로 고정 연결되며;

   백 일렉트릿 상부에서 백 캐비티 범위 이내에 음향 구멍이 구비되며, 백 일렉트릿 상부 표면이 프레임식 지탱부 하부 표면과 절연 방식으로 고정 연결되고, 프레임식 지탱부의 중간 구멍이 백 캐비티의 내경보다 크며;

   지탱부의 상부 표면이 진동막의 가장자리 프레임 하부 표면과 서로 연결되는 일종의 반도체 마이크로폰 칩에 있어서,

   진동막 주변은 파문 형태의 빔을 통하여 가장자리 프레임 및 지탱부와 연결되고, 진동막 주변 내측에 정렬로 배열되는 마이크로 요면과 소형 구멍이 구비되어, 마이크로 요면이 아래로 돌기되면서 백 일렉트릿 상부 표면과의 사이에 간격을 형성하며;

   진동막과 백 일렉트릿으로 구성되는 콘덴서 구조에 전압을 인가할 때, 마이크로 요면이 진동막과 백 일렉트릿이 점착 연결되는 것을 방지하고 빔 부위에 소리가 새어나가는 현상을 감소시켜주며;

   마이크로폰 칩을 제작할 때, 소형 구멍과 백 일렉트릿 상부의 음향 구멍이 함께 진동막과 백 일렉트릿 사이에 원래 존재하는 희생층을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 반도체 재료인 실리콘인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 지탱부는 절연재료인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 절연재료는 산화실리콘인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 진동막은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 진동막에 정렬로 배열되는 마이크로 요면과 소형 구멍은 교차 배열되며;

   마이크로 요면과 소형 구멍은 사각형 또는 원형이고, 소형 구멍은 백 일렉트릿 상의 음향 구멍보다 작으며;

   마이크로 요면과 진동막이 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 진동막 주변과 파문 형태의 빔 사이에 적어도 4 개의 접촉점이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 진동막은 절연재료로 제작되어 그 표면에 박막 전극이 설치되되, 박막전극은 마이크로 요면으로 둘러싸인 범위 안에 위치되며, 전체적인 백 일렉트릿은 전도층인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 백 일렉트릿은 절연재질로 제작되어, 그 표면에 박막전극이 설치되되, 박막전극은 마이크로 요면이 백 일렉트릿 상에서 투영을 제한하는 범위 이내에 위치하고, 전체적인 진동막은 전도층인 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 진동막과 백 일렉트릿은 모두 절연재질로 제작되며, 그 표면에 각각 박막 전극이 설치되어, 두 박막전극의 중심이 서로 마주보도록 하며, 진동막의 박막전극은 마이크로 요면으로 둘러싸인 범위 이내에 위치하는 동시에 백 일렉트릿의 박막전극은 마이크로 요면이 백 일렉트릿 상에서 투영을 제한하는 범위 이내에 위치되는 것을 특징으로 하는 반도체 마이크로폰 칩.

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