KR101411416B1 - 마이크로 스피커 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된마이크로 스피커 - Google Patents

마이크로 스피커 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된마이크로 스피커 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 마이크로 스피커 제조방법은 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 일괄 공정으로 형성하는 단계; 상기 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 웨이퍼 본드로 접합하는 단계; 및 상기 디바이스 웨이퍼의 뒷면(back surface)을 이플루오르화크세논(XeF2)을 이용한 등방성 에칭(isotropy etching)으로, 다이어프램(diaphragm)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이상과 같은 본 발명에 의하면, MEMS 기술을 이용한 일괄 공정으로 넓은 주파수 응답 범위를 가지는 압전형 마이크로 스피커 구조를 구현할 수 있어, 구조 및 공정의 단순화를 이룰 수 있고, 이로 인한 제작 비용이 크게 절감된다.
MEMS, 마이크로스피커, 웨이퍼, 다이어프램, 디바이스, 패키지

Description

마이크로 스피커 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 마이크로 스피커{Micro speaker manufacturing method and micro speaker}
본 발명은 MEMS 기반의 마이크로 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크로 스피커의 구조 및 제조방법에 관한 것이다.
개인 음성 통신 및 데이터 통신을 위한 단말기의 급속한 발전에 따라 주고 받을 수 있는 데이터 양은 폭발적으로 증가하였지만, 단말기는 소형화, 다기능화가 기본적인 추세가 되었다. 특히 단말기의 슬림화 추세에 따라 사용자는 기기의 성능은 그대로 유지한 상태로, 기기의 두께는 보다 얇게 구성될 것을 요구하고 있다.
이와 같은 사용자의 요구를 충족하기 위하여, 최근 들어 MEMS 기술을 이용한 음향기기(acoustic device)들이 연구되어 왔고, 보청기나 휴대전화(cellular phone), PDA등에 적용될 수 있도록 구현되고 있다. 특히, MEMS 기술 및 반도체 기술을 이용한 마이크로폰(microphone), 마이크로 스피커(micro speaker) 등의 음향기기들의 제작은 일괄 공정에 따른 소형화, 저가화 등을 가능하게 하고 주변 회로와의 집적이 용이하다는 장점을 지닌다.
이와 같은 MEMS 기술을 이용한 마이크로폰 및 마이크로 스피커의 제작에는 콘덴서형(condenser type)과 압전형(piezoelectric type) 등이 주종을 이룬다. 특히, 스피커의 경우에는 구조상의 단순함으로 인해 제작이 용이하고, 분극 전압이 필요 없으며, 넓은 주파수 응답 범위를 가지는 장점이 있는 압전형 스피커가 많이 사용되고 있다.
일반적인 압전형 스피커 구조는 기판 위에 지지를 위한 박막을 증착하고, 순서대로 하부 전극, 압전물질, 상부 전극을 증착한 후 기판의 뒷면을 에칭하여 다이어프램(diaphragm) 구조를 만든다.
도 1은 일반적으로 연구되어온 압전형 마이크로 스피커를 예시적으로 도시한 것으로, 기판(1) 위에 지지층(2), 하부 전극(3), 압전물질(4), 상부 전극(5)을 샌드위치 구조로 증착한 후 기판의 뒷면(back surface)(6)을 에칭하여, 다이어프램을 형성시켜, 패키지 되지 않은 기기만을 구현한 것을 도시한 것이다.
이렇게 제작된 압전형 마이크로 스피커 기기를 시스템에 실장하기 위해서는, 전기를 공급하기 위한 입, 출력 배선 및 외부로부터 보호를 위한 패키지가 반드시 필요하다. 예컨대, 음압이 방사되는 활성표면(active surface) 및 벤트 홀(vent hole)을 위한 뒷면(back surface)을 보호하기 위해서는, 추가적인 패키지 공정과 비용이 불가피하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 일괄 공정에 의한 패키지를 구비한 마이크로 스피커 구조 및 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 스피커 제조방법은 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 일괄 공정으로 형성하는 단계; 상기 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 웨이퍼 본드로 접합하는 단계; 및 상기 디바이스 웨이퍼의 뒷면(back surface)을 이플루오르화크세논(XeF2)을 이용한 등방성 에칭(isotropy etching)으로, 다이어프램(diaphragm)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 패키지 웨이퍼를 형성하는 단계는, 양면이 폴리싱(polishing)된 제 1 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 다이어프램의 운동을 위한 공간 확보용 백 캐비티를 형성하는 단계; 상기 백 캐비티가 형성된 면을 따라 금속을 증착하는 단계; 상기 백 캐비티 상측에 전극 연결용 홀 및 벤트 홀을 관통 형성하는 단계; 및 상기 전극 연결용 홀에 금속을 증착하거나 도금하여 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 디바이스 웨이퍼를 형성하는 단계는, 제 2 실리콘 웨이퍼의 앞면에 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 제 2 금속층을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 제 2 웨이퍼의 뒷면에 이플루오르화크세논(XeF2)에 선택성을 가지는 금속 또는 산화실리콘(SiO2)으로 형성된 절연막 중 어느 하나로 보호층(protection layer)을 형성하는 단계; 및 상기 보호층을 패터닝하는 단계;를 포 함하는 것이 좋다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 디바이스 웨이퍼를 형성하는 단계는, 제 3 실리콘 웨이퍼의 앞면에 프론트 캐비티를 형성하고 뒷면에서 상기 프론트 캐비티와 관통되는 복수 개의 관통홀을 형성하는 단계; 상기 제 3 실리콘 웨이퍼에 산화실리콘(SiO2)을 증착하여 절연층을 형성하는 단계; 제 2 웨이퍼의 뒷면과 상기 제 3 실리콘 웨이퍼의 캐비티가 형성된 면이 서로 마주보도록 결합하는 단계; 및 상기 제 2 웨이퍼의 앞면에 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 제 2 금속층을 순차적으로 증착하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 웨이퍼 본드는, Au/Sn, Au/In, Cu/Sn 중 어느 하나의 재질로 형성된 금속 컴파운드(metal compound)를 이용하는 유텍틱 본드(eutectic bond) 또는 고분자 접착제 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
본 발명에 의한 마이크로 스피커는, 상기한 제조방법에 따라 제조된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 마이크로 스피커 제조방법을 첨부된 도면과 함께 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 스피커(100)를 도시한 것으로, 일괄 공정으로 제조되는 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)를 결합하여 구성한 것이다.
도시된 바와 같이, 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)는 제 1 및 제 2 실리콘 웨이퍼(110)(181)를 이용하여 일괄공정으로 형성하며, 이들을 웨이퍼 본드를 이용하여 접합한 후, 상기 디바이스 웨이퍼(195)의 뒷면을 드라이 에칭하여 다이어프램(192)을 형성하여 마이크로 스피커(100)를 구성한다.
웨이퍼 본드로는 Au/Sn, Au/In, Cu/Sn 중 어느 하나의 재질로 형성된 금속 컴파운드(metal compound)를 이용하는 유텍틱 본드(eutectic bond)를 이용할 수도 있고, 고분자 접착(polymer adhesion)으로 결합하는 것도 가능하다.
이처럼, 상기 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)는 동일 재질로 형성되며, 제 1 및 제 2 실리콘 웨이퍼(110)(181)에 다수 개의 패키지와 디바이스를 동시에 형성할 수 있으므로 대량생산에 유리하다.
이하에서는, 상기 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)를 형성하는 공정과 이를 통해 형성된 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)를 결합하여 본 발명의 제 1 실시예에 의한 마이크로 스피커(100)를 제조하는 공정을 도면과 함께 설명한다.
도 3은 상기 패키지 웨이퍼(170)를 형성하는 단계를 도시한 것이다.
양면이 폴리싱된 제 1 실리콘 웨이퍼(110)의 뒷면에 다이어프램의 운동을 위한 공간을 확보하기 위해 백 캐비티(120)를 형성한다. 그리고 상기 백 캐비티(120)가 형성된 면을 따라서 금속을 증착하여 금속층(130)을 형성한다. 그리고 상기 제 1 실리콘 웨이퍼(110)의 앞면에는 전극 연결용 홀(140)과 상기 백 캐비티(120)와 연통 되는 벤트 홀(150)을 관통형성한다. 이때, 상기 백 캐비티(120)와 벤트 홀(150)은 습식 또는 건식 식각 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것이 좋으며, 상기 벤트 홀(150)과 전극 연결용 홀(140)은 상기 백 캐비티(120)의 상측에 반드시 배치되도록 한다. 그리고 상기 전극 연결용 홀(140)에 금속(metal)을 증착하거나, 도금으로 채워서 전극(160)을 형성한다. 이 전극(160)은 상기 금속층(130)과 전기적으로 연결되어 디바이스 웨이퍼(195)로 전원을 공급한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 디바이스 웨이퍼(195) 제조공정을 도시한 것이다.
디바이스 웨이퍼(195)는 제 2 실리콘 웨이퍼(181)의 앞면에 지지층(182), 제 1 금속층(183), 압전물질(184) 및 제 2 금속층(185)을 순차적으로 증착하여 디바이스(180)를 형성하고, 상기 디바이스(180)의 상측에, 도 3의 과정을 통해 형성된 패키지 웨이퍼(170)를 결합한다. 바람직하게는 도시된 바와 같이, 패키지 웨이퍼(170)에 형성된 전극(160)이 각각 제 1 및 제 2 금속층(183)(185)과 통전 가능하게 연결되어, 상기 제 1 금속층(183)은 하부 전극이 되고, 제 2 금속층(185)은 상부 전극이 된다.
이때, 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스(180)는 웨이퍼 본드(175)를 이용하여 결합될 수 있는데, Au/Sn, Au/In, Cu/Sn 중 어느 하나의 재질로 형성된 금속 컴파운드(metal compound)를 이용하는 유텍틱 본드(eutectic bond)로 결합될 수도 있고, 고분자 접착(polymer adhesion)으로 결합될 수도 있다.
그리고 상기 제 2 실리콘 웨이퍼(181)의 뒷면에는 이플루오르화크세논(XeF2) 에 선택성을 가지는 금속이나, 산화실리콘(SiO2)으로 형성된 절연막 등으로 보호층(protection layer, 190)을 형성하고, 이 보호층(190)을 패터닝하여 다이어프램 형성을 위한 공극(191)을 형성한다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 이플루오르화크세논(XeF2)을 이용하여 상기 제 2 실리콘 웨이퍼(181)의 뒷면을 등방성 에칭하여 다이어프램(192)을 형성하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 스피커(100)를 형성한다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 스피커(200, 도 9 참조)는 도 6 및 도 7과 같은 공정에 의해 형성된 제 2 실시예에 따른 디바이스 웨이퍼(195')의 상측에 상기 패키지 웨이퍼(170)를 웨이퍼 본드로 결합하여 구성한다. 패키지 웨이퍼(170)는 앞서 설명한 제 1 실시예와 동일하게 구성되므로, 중복 설명은 생략한다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 디바이스 웨이퍼(195')는, 디바이스(180)가 형성된 제 2 실시콘 웨이퍼(181)의 후면에 제 3 실리콘 웨이퍼(210)를 본딩하여 구성한다.
즉, 상기 제 3 실리콘 웨이퍼(210)의 앞면에는 습식 또는 건식 식각방법에 의해 프론트 캐비티(212)를 형성하고, 그 뒷면에는 상기 프론트 캐비티(212)와 관통되는 관통홀(213)을 형성한다. 그리고 프론트 캐비티(212)와 관통홀(213)이 형성된 상기 제 3 실리콘 웨이퍼(210)에 산화실리콘(SiO2)을 증착하여 절연층(211)을 형성한다.
그리고 절연층(211), 프론트 캐비티(212) 및 관통홀(213)이 형성된 상기 제 3 실리콘 웨이퍼(210)의 상측에 제 2 실리콘 웨이퍼(181)를 본딩하고, 이 제 2 웨이퍼(181)의 앞면에, 도 7에 도시된 바와 같이, 지지층(182), 제 1 금속층(183), 압전물질(184) 및 제 2 금속층(185)을 순차적으로 증착하여 디바이스(180)를 형성한다.
이와 같이 형성된 디바이스(180)의 상측에, 본 발명의 제 1 실시예에서 설명한 바와 동일한 공정으로 구성된 패키지 웨이퍼(170)를 웨이퍼 본드(175)를 이용하여 결합한다.
상기 웨이퍼 본드(175)는, 앞서 설명한 제 1 실시예와 같이, Au/Sn, Au/In, Cu/Sn 중 어느 하나의 재질로 형성된 금속 컴파운드(metal compound)를 이용하는 유텍틱 본드(eutectic bond)를 이용할 수도 있고, 고분자 접착(polymer adhesion)으로 결합하는 것도 가능하다. 바람직하게는 도시된 바와 같이, 패키지 웨이퍼(170)에 형성된 전극이 각각 제 1 및 제 2 금속층(183)(185)과 통전 가능하게 연결되는 것이 좋은데, 이는 제 1 실시예와 동일하다.
상기한 바와 같이 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스(180)가 결합되면, 도 9에 도시된 바와 같이, 이플루오르화크세논(XeF2)을 이용하여 상기 제 3 실리콘 웨이퍼(220)의 뒷면을 등방성 에칭하여 다이어프램(212')을 형성하여 제 2 실시예에 따른 마이크로 스피커(200)를 형성한다.
상기한 제 1 및 제 2 실시예와 같이, 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이 퍼(195)(195')를 동종 재질을 이용하여 일괄공정으로 형성하면, 제조 공정은 간단해지고, 제조 비용은 크게 절감할 수 있다. 또한, 패키지 웨이퍼(170)와 디바이스 웨이퍼(195)(195')가 동종 물질로 형성되므로, 동일한 열팽창 계수를 가지기 때문에, 열변형에 따른 비틀림을 방지할 수 있다. 또한, MEMS 공정을 이용하여 제품을 제조하기 때문에, 경박단소한 제품을 제작하는 것이 가능하다.
도 10은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 마이크로 스피커(100)(200)를 회로기판에 실장한 상태를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, PCB 기판(10)에는 본 발명에 의한 마이크로 스피커(100)(200)를 실장하기 위한 전극(11)이 마련되어 있으며, 이 전극(11)과 패키지 웨이퍼(170)에 마련된 전극(160)은 솔더 볼(solder ball, 20)과 같은 플립 칩 본딩(flip-chip bonding)으로 연결한다. 부품실장 기술은 본 발명의 요지와는 큰 관련성이 없으므로, 자세한 설명은 생략한다.
도 1은 일반적인 압전형 마이크로 스피커를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 압전형 마이크로 스피커를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 의한 압전형 마이크로 스피커를 구성하는 패키지 웨이퍼의 제작공정을 도시한 도면,
도 4는 패키지 웨이퍼와 본 발명의 제 1 실시예에 의한 디바이스 웨이퍼를 결합하는 과정을 도시한 도면,
도 5는 도 4의 디바이스 웨이퍼의 뒷면을 드라이 에칭하여 다이어프램을 형성하는 과정을 도시한 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 디바이스 웨이퍼 준비단계를 도시한 도면,
도 8은 패키지 웨이퍼와 본 발명의 제 2 실시예에 의한 디바이스 웨이퍼를 결합하는 과정을 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 압전형 마이크로 스피커를 도시한 도면, 그리고,
도 10은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 의한 압전형 마이크로 스피커를 기판에 실장한 상태를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10; PCB 기판 20; 솔더 볼(solder ball)
100,200; 압전형 마이크로 스피커 110,181,210; 제1~제3실리콘 웨이퍼
120; 백 캐비티 130; 금속층
140; 전극 연결용 홀 150; 벤트 홀
160; 전극 170; 패키지 웨이퍼
195,195'; 디바이스 웨이퍼 182; 지지층
183; 제 1 금속층 184; 압전물질
185 제 2 금속층 190; 보호층
191; 패턴 192,192'; 다이어프램
211; 절연층 212; 프론트 캐비티
213; 관통홀

Claims (9)

  1. 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 일괄 공정으로 형성하는 단계;
    상기 패키지 웨이퍼와 디바이스 웨이퍼를 웨이퍼 본드로 접합하는 단계; 및
    상기 디바이스 웨이퍼의 뒷면(back surface)에 이플루오르화크세논(XeF2)을 이용한 등방성 에칭(isotropy etching)으로, 다이어프램(diaphragm)을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 패키지 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    양면이 폴리싱(polishing)된 제 1 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 다이어프램의 운동을 위한 공간 확보용 백 캐비티를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 패키지 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    상기 백 캐비티가 형성된 면을 따라 금속을 증착하는 단계;
    상기 백 캐비티 상측에 전극 연결용 홀 및 벤트 홀을 관통 형성하는 단계; 및
    상기 전극 연결용 홀에 금속을 증착하거나 도금하여 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 디바이스 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    제 2 실리콘 웨이퍼의 앞면에 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 제 2 금속층 을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 제 2 웨이퍼의 뒷면에 이플루오르화크세논(XeF2)에 선택성을 가지는 금속 또는 산화실리콘(SiO2)으로 형성된 절연막 중 어느 하나로 보호층(protection layer)을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층을 패터닝하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 디바이스 웨이퍼를 형성하는 단계는,
    제 3 실리콘 웨이퍼의 앞면에 프론트 캐비티를 형성하고 뒷면에서 상기 프론트 캐비티와 관통되는 복수 개의 관통홀을 형성하는 단계;
    상기 제 3 실리콘 웨이퍼에 산화실리콘(SiO2)을 증착하여 절연층을 형성하는 단계;
    제 2 웨이퍼의 뒷면과 상기 제 3 실리콘 웨이퍼의 캐비티가 형성된 면이 서로 마주보도록 결합하는 단계; 및
    상기 제 2 웨이퍼의 앞면에 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 제 2 금속층을 순차적으로 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼 본드는,
    Au/Sn, Au/In, Cu/Sn 중 어느 하나의 재질로 형성된 금속 컴파운드(metal compound)를 이용하는 유텍틱 본드(eutectic bond) 또는 고분자 접착제 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커 제조방법.
  6. 제1실리콘 웨이퍼의 뒷면에 다이어프램의 운동을 위한 공간 확보용 백 캐비티를 구비한 패키지 웨이퍼;
    상기 패키지 웨이퍼를 구성하는 상기 제1실리콘 웨이퍼의 뒷면에 웨이퍼 본드로 접착되며 디바이스가 형성된 제2실리콘 웨이퍼를 포함하는 디바이스 웨이퍼; 및
    상기 패키지 웨이퍼가 접착되지 않은 상기 제2실리콘 웨이퍼의 뒷면에 에칭으로 형성된 다이어프램;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 패키지 웨이퍼는,
    상기 백 캐비티가 형성된 면을 따라 상기 제1실리콘 웨이퍼에 증착된 금속;
    상기 백 캐비티 상측에 상기 제1실리콘 웨이퍼를 관통하도록 형성된 벤트 홀; 및
    상기 백 캐비티 상측으로 상기 벤트 홀 주위에 형성되며, 상기 제1실리콘 웨이퍼를 관통하는 금속으로 형성된 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 디바이스 웨이퍼는,
    상기 제1실리콘 웨이퍼가 접착된 상기 제 2 실리콘 웨이퍼의 앞면에 순차적으로 증착된 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 및 제 2 금속층과;
    상기 제 2 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 형성된 보호층(protection layer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 디바이스 웨이퍼는,
    상기 제1실리콘 웨이퍼가 접착된 상기 제 2 실리콘 웨이퍼의 앞면에 순차적으로 증착된 지지층, 제 1 금속층, 압전물질, 및 제 2 금속층;
    상기 제 2 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 결합된 제 3 실리콘 웨이퍼;
    상기 제 2 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 결합된 상기 제 3 실리콘 웨이퍼의 앞면에 형성된 프론트 캐비티; 및
    상기 제 3 실리콘 웨이퍼의 뒷면에서 상기 프론트 캐비티와 관통되도록 형성된 복수 개의 관통홀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스피커.
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