KR101632259B1 - 집적화 ｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ 마이크로폰 다이 - Google Patents

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노우레스 일렉트로닉스, 엘엘시
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Abstract

청구항들에 기재된 발명은 CMOS-기반 기술들을 사용하여 제조된 MEMS 마이크로폰 다이에 관한 것이다. 특히, 청구항들은 이방성 스프링들, 백플레이트, 다이어프램, 기계적 멈추개들, 및 지지 구조물을 지니는 MEMS 마이크로폰 다이의 여러 실시형태에 관한 것이며, 이방성 스프링들, 백플레이트, 다이어프램, 기계적 멈추개들, 및 지지 구조물 모두는 CMOS 제조 기술들을 사용하여 비어들에 의해 분리되는 적층된 금속 층들로서 제조된다.

Description

집적화 ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ 마이크로폰 다이{Integrated ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ microphone die}
관련 출원
본원은 2013년 8월 30일자 출원된 미국 임시특허출원 61/871,957의 혜택을 주장한 것이다.
1960년대에, 마이크로 전자 공학 분야의 종사자들은 재료 층들을 실리콘 웨이퍼 기판 표면상에 데포지트(deposit)한 다음에, 상기 데포지트된 재료 일부들을 선택적으로 에칭하여 제거하는 일련의 단계들을 사용하여 초소형 기계적 구조물들을 제조하는 기법들을 처음으로 개발하였다. 1980년대쯤에는, 산업이 기계적인 층으로서 폴리실리콘을 사용하여 실리콘-기반 표면을 미세 기계 가공하는 것을 지향하기 시작했다. 그러나 비록 폴리실리콘이 폴리실리콘의 기계적, 전기적, 그리고 열적 특성들 때문에 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS)들을 제조하는데 유용한 빌딩 블록(building block)인 것으로 입증되었지만, 폴리실리콘 기반 MEMS에 사용한 제조 기법들이 상보형 금속-산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor; CMOS) 기술에 사용한 제조 기법들에 잘 들어맞지 않는다. 이 때문에, 선행기술에서는, 상기 MEMS를 제어하기 위한 회로가 전통적으로 개별 다이(die) 상에 제조되었다. 단일 다이 상에 CMOS 및 폴리실리콘 제조를 집적화하는 데에는 일부 성공을 거두었지만, 이러한 하이브리드 CMOS-폴리실리콘 소자들은 오랜 설계 시간과 복잡한 제조 요구사항 때문에 이상적이지 않은 것으로 입증되었다.
최근 종사자들이 폴리실리콘 기반 MEMS 구조물들에서 전통적으로 사용된 재료들보다는 오히려 표준 CMOS 재료들을 사용하여 MEMS 구조물들을 제조하려고 시도하였다. 표준 CMOS 제조에서는, 트랜지스터들이 실리콘 웨이퍼 표면상에 형성되고 금속 및 유전체 재료 층들을 여러 차례 데포지트하여 이들을 선택적으로 제거함으로써 전기 경로들이 상기 트랜지스터들 위에 구축된다. 집적화 CMOS/MEMS 다이에서는, CMOS 회로들이 상기 웨이퍼의 한 부분 상에 상호접속되게 함과 동시에, 상기 웨이퍼의 다른 한 부분 상에서 패터닝된 금속 및 유전체 재료 층들이 복합 MEMS 구조물들을 형성할 수 있다. 일단 상기 층들 모두가 축적되었지만, 상기 MEMS 구조물은 "유리(遊離; release)"되는데, 다시 말하면 상기 MEMS 구조물들 주변의 희생 유전체 재료는 상기 MEMS 구조물의 기계적 구성요소들이 자유롭게 이동할 수 있게 하도록 vHF(vapor hydrofluoric acid)와 같은 에천트(etchant)를 사용하여 제거된다. 습식 "패드 에치(pad etch)", 플라즈마 또는 RIE 건식 에칭, 또는 이들 중의 임의 조합과 같은 다른 희생 에천트들이 사용될 수 있다. 특정한 희생 에천트들은 실리콘 질화물 패시베이션(silicon nitride passivation)를 공격(attack)한다. 소정의 CMOS 프로세스들에서 패시베이션 층 상부에 포함된 폴리이미드는 실리콘 질화물 상의 공격을 완화할 수 있다.
이는 하이브리드 CMOS-폴리실리콘 다이를 제조하는 별개의 요구사항을 수용하는데 특정한 절차들 및 재료들을 사용할 필요가 없기 때문에 설계 및 제조를 간소화한다. 그러나 구조물 빌딩 블록으로서, CMOS에 사용된 금속 층들은 구조물 MEMS 구성요소들로서 사용하기에 필요한 강성(stiffness)이 부족하고, 더욱이, 얇은 금속 층들은 유리(遊離) 후에 만곡되기 쉽다. 각각의 금속 층을 연결하는 금속 비어(metal via)들을 지니는 적층된 금속 층들로 구성된 구조물들을 구축함으로써 이러한 문제들을 다루는 것이 가능하지만, 다른 여러 문제가 해결되지 않고 있다.
첫째로, 다층 금속 MEMS 구조물이 견고할 수 있지만, 어떤 경우에는 MEMS 구조물의 강성률(rigidity)이 이방적(異方的)(다시 말하면, 한 이동 축에서는 견고하고 다른 한 이동 축에서는 유연함)이여야 한다. 예를 들면, 여러 MEMS 구조물은 이동을 제어하기 위해 스프링들을 사용하는데, 스프링 구조물을 위해 다수의 금속 층을 사용하는 것은 상기 스프링이 만곡하지 않게 하는 여분의 강성을 생성할 수 있지만, x-, y-, 및 z-축들에서의 강성이 상기 구조물의 유효성을 스프링으로서 한정할 수 있다.
둘째로, 여러 MEMS 타입은 유리(遊離) 후에 기밀(氣密) 챔버를 필요로 하고, 그래서 상기 에천트가 상기 유전체 재료에 이를 수 있게 하도록 캡 웨이퍼가 설치되어야 하거나 그렇지 않으면 상부 층 내에 홀(hole)들이 만들어져야 한다. 전자의 경우는, 캡 웨이퍼를 부착하는 것이 비-표준 CMOS 프로세싱 및 비용을 필요로 하고, 본딩 패드들에 대한 접근을 더 어렵게 하며, 그리고 상기 다이에 높이를 추가한다. 후자의 경우는, 상기 에칭 단계 후에 상기 홀들을 실링(sealing)하기 위해, 금속 또는 다른 재료들이 데포지트되어야 하는데, 이는 상기 챔버 내로 실링 재료가 부주의하게 도입되고, 잠재적으로는 상기 기계적 구성요소들의 이동에 영향을 주게 될 위험이 있다.
셋째로, 상기 유전체 재료를 제거하기 위해, 상기 vHF(또는 다른 희생 에천트들)가 상기 재료와 물리적으로 접촉해야 한다. 좁은 적층 구조물 때문에, 상기 vHF가 상기 유전체 재료를 쉽게 제거할 수 있다. 그러나 넓은 플레이트 구조물(예를 들면, 마이크로폰 백플레이트) 때문에, 상기 vHF는 상기 플레이트 내부에 이르는데 상당한 시간이 소요될 수 있고, 이는 상기 MEMS 구조물의 다른 부분들로부터 원하는 것보다 더 많은 유전체 재료를 제거하는 결과를 초래할 수 있다.
넷째로, 넓은 플레이트 구조물 때문에, 심지어 상기 금속 층들 간의 유전체를 제거한 후에도, 상기 플레이트가 상당한 질량을 지닐 수 있다. 이것은 공진 주파수들을 낮게 할 수 있는데, 이는 상기 마이크로폰의 주파수 응답에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
다섯째로, 위에서 주지한 바와 같이, 단일 금속 층은 비교적 약하다. 비-보강 상부 금속 층이 MEMS 구조물을 포함하는 실링된 챔버를 커버 하는 경우에, 상기 상부 층은 상기 챔버 내의 진공 상태 때문에 내부로 휠 수 있다. 상기 MEMS 구조물 및 상기 상부 층 사이에 공간을 추가하는 것은 상기 상부 층이 상기 MEMS 구조물에 지장을 주지 않게 하지만, 그러한 추가 공간은 상기 다이의 높이를 증가시킨다.
여섯째로, MEMS 구조물의 기계적 구성요소들의 표면들이 서로 접촉할 경우에, 일반적으로 "정지 마찰(stiction)"이라고 알려진 표면 부착력들 때문에 상기 표면들이 서로 붙게 되어, 상기 소자의 기계적 기능들에 손상을 줄 수 있다.
그러므로 집적화 CMOS/MEMS 다이들을 제조하는데 공지된 문제들을 다루는 구조물 및 방법에 대한 요구가 충족될 필요가 있다.
본 발명의 한 실시 예에서는, 상기 에천트가 상기 웨이퍼의 상부 측으로부터 상기 에천트를 도입시키기보다는 오히려 상기 웨이퍼의 하부에 있는 홀(hole)을 통해 상기 다이의 내부로 도입되게 한다. 상기 에칭 단계를 완료한 후에, 실링 웨이퍼, 예를 들면, 실리콘 또는 유리가 상기 웨이퍼의 하부에 부착될 수 있다. 이는 상기 웨이퍼의 상부에 패터닝된 캡 웨이퍼를 추가하거나 실링 재료가 상기 상부 표면에 있는 홀들을 통해 상기 MEMS 챔버에 들어가지 않게 하는데 필요한 예방 조치를 취하는 것보다 간소하고 저렴하다. 더욱이, 상기 웨이퍼의 하부를 실링함으로써 상기 상부 표면 상의 본딩 패드들이 영향을 받지 않는다. 더군다나, 상기 실링 웨이퍼는 전체 구조물 두께를 얇게 하도록 도포 후에 래핑(lapping)될 수 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에서는, 플레이트(plate)가 금속 층들 간에 금속 비어들을 지니는 금속 층들과 유전체 층들이 번갈아 가며 형성된 다수의 층으로 이루어진다. 상기 금속 층들 중 적어도 하나의 금속 층은 복수 개의 개구부들을 지니고, 그럼으로써 상기 에천트가 도입될 경우에, 상기 에천트가 상기 개구부들을 통해 상기 유전체 재료를 제거하고 신속하게 상기 금속 층들에 이르러서 상기 금속 층들 간의 유전체 재료를 제거한다. 그 결과로 얻어진 구조물은 상기 에천트가 상기 유전체 재료 모두에 신속하게 이르게 되기 때문에 제조하기에 용이하다. 더욱이, 연속 금속 층들을 지니는 다층 플레이트와 비교해 볼 때, 본 발명의 플레이트가 강성은 거의 갖지만 질량은 상당히 적게 된다.
상기 상부 금속 층이 상기 MEMS 구조물을 포함하는 실링된 챔버를 커버 하는 본 발명의 다른 한 실시 예에서는, 상기 웨이퍼 및 상기 상부 금속 층 사이를 잇는 구조물 지지부들이 상기 상부 금속 층에 대한 지지부를 제공한다. 이러한 구조물 지지부들은 독립형 필러들일 수도 있고 그러한 구조물 지지부들은 상기 MEMS 구조물 자체의 고정 부분(들) 일부일 수도 있으며, 상기 챔버 내의 진공 상태 때문에 내부로 휠 수 있게 되는 상기 상부 금속 층에 대한 지지부를 제공할 수도 있다.
본 발명의 다른 한 실시 예에서는, 상기 금속 층들 사이에 금속 비어들을 지니는 금속 및 유전체 재료가 번갈아 가며 형성된 다수의 층이 피스톤-타입의 MEMS 마이크로폰 다이어프램용 스프링을 형성한다. 상기 스프링은 폭보다는 길이가 길고 그럼으로써 상기 층들 간의 유전체 재료의 제거 후에 상기 스프링이 수평 방향에서보다 수직 방향에서 더 강성하게 되며, 이 때문에 등방성 스프링에 의해 지지되는 다이어프램과 비교해 볼 때, 본 발명의 스프링에 의해 지지되는 다이어프램이 소정의 음향 신호에 대해 대략 50% 이상의 정전용량 변화를 갖게 된다.
본 발명의 다른 한 실시 예에서는, 금속 층들 사이에 금속 비어들을 지니는 금속 및 유전체 재료가 번갈아 가며 형성된 다수의 층이 피스톤 타입의 MEMS 마이크로폰 다이어프램을 형성한다. 상기 다이어프램의 한 측면 상에서는, 상기 다이어프램의 상부 금속 층이 인접 지지 구조물의 금속 층으로부터 오프셋되고, 그럼으로써 상기 다이어프램이 하방으로 이동할 경우에, 상기 다이어프램의 금속 층은 상기 지지 구조물의 금속 층과 접촉하여, 상기 다이어프램의 부가적인 하방 이동을 방지해 준다. 상기 다이어프램의 다른 한 측면 상에서는, 상기 다이어프램의 하부 금속 층이 인접 지지 구조물의 금속 층으로부터 오프셋되고, 그럼으로써 상기 다이어프램이 상방으로 이동할 경우에, 상기 다이어프램의 금속 층이 상기 지지 구조물의 금속 층과 접촉하여, 상기 다이어프램의 부가적인 상방 이동을 방지해 준다.
본 발명의 다른 한 실시 예에서는, 일부 비어 행들이 상기 일부 비어 행들 상부에 금속 층을 지니지 않고 형성되어, 사실상 동굴의 석순(stalagmite)들과 같이 보이게 될 수 있다. 마찬가지로, 일부 비어 행들은 상기 일부 비어 행들 하부에 금속 층을 지니지 않고 형성되어, 사실상 동굴의 종유석(stalactite)들과 같이 보이게 될 수 있다. 이전 실시 예와 마찬가지로 이동 구성요소 및 지지 구조물 구성요소가 서로에 대해 오프셋되어 있는 경우에, 종유석 비어가 상기 종유석 비어 하부에 있는 금속 층과 접촉할 경우에나 또는 석순 비어가 상기 석순 비어 상부에 있는 금속 층과 접촉할 경우에 이동이 제한되게 된다. 혹은 다른 한 구성에서는, 종유석이 상기 종유석 바로 하부에 있는 석순과 접촉할 경우에 이동이 제한되게 된다. 하나 또는 양자 모두의 금속 층들을 제거함으로써 이동이 금속 층 - 금속 층 접촉에 의해 멈추게 된 이전의 실시 예에서보다 상기 소자의 상이한 이동 범위가 허용된다. 더욱이, 하나 또는 양자 모두의 금속 층들을 제거함으로써 상기 소자의 중량이 줄어들게 된다. 더욱이, 상기 접촉 부위가 단지 전체 금속 층보다는 오히려 상기 비어들만큼만 넓게 되기 때문에, 2개의 구성요소 간의 정지 마찰의 기회가 상당히 감소하게 된다.
도 1은 3-층 스프링 구조물을 비스듬히 보여주는 도면이다.
도 2는 5-층 스프링 구조물을 비스듬히 보여주는 도면이다.
도 3은 유리(遊離) 후 진공 실링된 다이의 단면도이다.
도 4는 유리(遊離) 후 진공 실링된 다이의 단면도이다.
도 5는 견고한 정전용량형 센서 플레이트의 일부의 단면도이다.
도 6은 피스톤-타입의 정전용량형 마이크로폰에서 다이어프램으로서 사용된 견고한 정전용량형 센서 플레이트를 비스듬히 보여주는 도면이다.
도 7은 (움직이지 않은 상태로) 이동 가능한 MEMS 구조물 내에 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 8은 (상측 멈춤 지점에 이르기까지 연장된) 이동 가능한 MEMS 구조물 내에 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 9는 (하측 멈춤 지점에 이르기까지 연장된) 이동 가능한 MEMS 구조물 내에 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 10은 (움직이지 않은 상태로) 비어들 및 금속 층으로부터 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 11은 (상기 멈춤 지점에 이르기까지 연장된) 비어들 및 금속 층으로부터 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 12는 (상기 멈춤 지점에 이르기까지 연장된) 대립하는 비어들로부터 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 13은 오프셋 금속 층들의 사용 없이 구축된 기계적 멈추개들의 단면도이다.
도 14는 단일 비어 시리즈를 포함하는 구조물 지지 필러의 단면도이다.
도 15는 복수 개의 금속 층들 및 복수 개의 비어들을 포함하는 구조물 지지 필러의 단면도이다.
도 16은 MEMS 구조물 내에 집적화된 구조물 지지 필러의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 마이크로폰 다이의 다이어프램을 비스듬히 보여주는 제1 도면이다.
도 18은 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 마이크로폰 다이의 다이어프램을 비스듬히 보여주는 제2 도면이다.
도 19는 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 마이크로폰 다이를 비스듬히 보여주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 공진기 다이를 비스듬히 보여주는 제1 도면이다.
도 21은 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 공진기 다이를 비스듬히 보여주는 제2 도면이다.
도 22는 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 압력 센서 다이를 비스듬히 보여주는 제1 도면이다.
도 23은 본 발명의 구조물 및 방법을 사용하여 제조된 전형적인 MEMS 압력 센서 다이를 비스듬히 보여주는 제2 도면이다.
이하에서는 본 발명의 다양한 실시 형태를 이용하는 여러 특정한 실시 예가 기재되어 있다. 이러한 실시 예들은 본 발명의 모든 실시 예를 총망라한 것을 모아 놓은 것이 아닌데, 그 이유는 본 발명의 실시 예들이 본 발명의 원리들로부터 벗어나지 않고 다수의 방식으로 조합될 수 있기 때문이다.
일반 제조 기법들
개시된 실시 예들은 예를 들면 당업자에게 알려진 이하의 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 제조될 수 있다.
1. 트랜지스터들에 의해 사전설정되도록 의도된 실리콘 웨이퍼 기판의 부분들 상에서는 표준 CMOS 기법들을 사용하여 상기 트랜지스터들을 구축한다. 상기 MEMS 구조물들에 대한 상기 웨이퍼의 부분들은 그대로 유지하여 이 부위에 필드 산화물을 남겨둔다.
2. 전체 웨이퍼 상에 Si02 층을 데포지트한다.
3. 트랜지스터 상호접속들에 필요한 전기 비어(electrical via)들 및 상기 MEMS 구조물에 대한 구조물 금속 간 지지부들에 필요한 비어들을 위한 개구부들을 가지고 상기 Si02 층 상에 패터닝된 마스크를 도포한다.
4. 반응성 이온 에칭(reactive ion etching; RIE)을 사용하여 상기 Si02 층을 에칭한다.
5. 물리적 증기 증착(physical vapor deposition; PVD)을 사용해 텅스텐을 가지고 상기 비어들을 충전(充塡)한다.
6. 화학적-기계적 연마(chemical-mechanical polishing; CMP)를 사용해 상기 층을 평탄화한다.
7. 스퍼터링을 사용해 Ti 접착 층을 데포지트한다.
8. 스퍼터링을 사용해 TiN 배리어 층을 데포지트한다.
9. 스퍼터링을 사용해 Al/Cu 합금(1% Cu) 금속 층을 데포지트한다.
10. 상기 금속 층 상에 패터닝된 마스크를 도포하여 전기 경로들 및 상기 MEMS 구조물들에 대한 상호접속부들을 생성한다.
11. RIE를 사용해 상기 금속 층을 에칭한다.
12. 필요한 만큼의 금속 층들에 대해 단계 2-11을 반복한다.
13. Si3N4 패시베이션 층을 데포지트하고, 필요에 따라 상기 패시베이션 층에 개구부들을 패터닝 및 건식 에칭한다.
14. 옵션으로, 필요에 따라 상기 패시베이션 및 패턴 개구부들 상부에 폴리이미드 층을 추가한다.
15. 옵션으로, 상기 실리콘 웨이퍼를 통해 상기 MEMS 구조물 하부에 하나 이상의 개구부들을 생성한다.
16. 상기 패시베이션 층 및/또는 실리콘 웨이퍼의 개구부들을 통해 vHF(또는 다른 에천트)를 도입하여 상기 MEMS 구조물들의 Si02 부분들을 에칭한다(상기 MEMS 구조물들을 유리하는데 필요한 vHF에 대한 노출 길이는 vHF의 농도, 온도 및 압력, 그리고 제거해야 할 Si02 분량에 따라 달라지게 된다).
17. 상기 실리콘 웨이퍼를 다이싱(dicing)한다.
여러 구성요소의 치수들은 적용 요건들에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 층들은 대략 0.5㎛ 내지 1.0㎛ 두께 범위를 지닐 수 있으며, 각각의 층은 다른 층들과 동일한 두께일 필요가 없다. 상기 비어들은 대략 0.2㎛ 내지 0.5㎛ 범위를 지니고 대략 0.5㎛ 내지 5.0㎛ 일정 간격을 두고 서로로부터 떨어져 있을 수 있으며, 상기 비어들은 크기 또는 피치에서 균일할 필요가 없다. 상기 비어들은 행(row) 및 열(column)로 배열될 수도 있고 서로로부터 오프셋되어 있을 수도 있는데, 다시 말하면 한 층의 비어들은 하부 층의 비어들 바로 위에 있을 수도 있고 상기 한 층의 비어들은 하부 층의 비어들로부터 오프셋되어 있을 수도 있다. 금속 층들 간의 Si02의 두께는 대략 0.80㎛ 내지 1.0㎛ 범위를 지닐 수 있으며, 금속 층들 간의 각각의 Si02 층은 다른 Si02 층들과 동일한 두께일 필요가 없다.
더욱이, CMOS 제조에 공통된 다른 재료들이 사용될 수 있다. 구리 또는 서로 다른 속성들의 Al/Cu 합금들과 같은, Al/Cu(1%) 합금과는 다른 금속들은 상기 금속 층들에 사용될 수 있다. 중합체들과 같은, Si02와는 다른 유전체들은 금속 간 층들에 사용될 수 있으며 아마도 상이한 유리 에천트의 사용을 필요로 하게 된다. 만약 실리콘과는 다른 재료가 CMOS 제조 프로세스에 다른 점에서 적합하다면 상기 실리콘과는 다른 재료가 상기 웨이퍼 기판에 사용될 수 있다.
더욱이, 유리 단계 동안, 시간, 온도, 및 압력을 통해 상기 에칭의 깊이를 제어하는 것 외에도, 상기 구조물은 상기 에천트의 부가적인 침투를 차단하는 물리적 배리어(barrier)들을 포함할 수 있을 것이다.
더욱이, 이전의 단계 리스트는 특정한 제조 장비의 사용에 대한 요건들, 상기 다이의 비-MEMS 구성요소들에 대한 제조 요건들, 및 특정한 MEMS 구조물들의 제조 요건들을 충족시키도록 변경될 수 있다. 이하에서는 특정한 MEMS 구조물들에 대한 추가 제조 요건들의 예들이 기재되어 있다.
이방성 MEMS 스프링 구조물
도 1에 도시된 MEMS 스프링 구조물(1000)의 바람직한 실시 예에서는, 상기 금속 층들(1001, 1002, 1003) 각각이 대략 1.0㎛ 폭 및 대략 0.555 ㎛ 두께를 지니고, 알루미늄으로 구성된다. 금속 층들(1001, 1002, 1003) 사이에는 금속 간 층들(1004, 1005)이 존재하며, 상기 금속 간 층들(1004, 1005)은 대략 1㎛ 폭 및 0.850㎛ 두께를 지닌다. 비어들(1006)은 대략 0.26 평방 ㎛이며, 대략 1.0㎛ 간격을 두고 떨어져 있고, 그리고 텅스텐으로 구성된다.
스프링 구조물(1000)은 예를 들면 "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 제조 기법들을 사용하여 제조된다.
이하의 표 1에서는 스프링 구조물(1000)이 동일 치수들의 입체 금속 구조물에 비교되어 있다.
구조물(1000) 비교 가능한 입체 비임
관성 모멘트(Z) 2.234 3.175
관성 모멘트(Y) 0.139 0.280
Z 대 Y 강성 비 16.1:1 11.3:1
도 2에는 스프링 구조물(1007)이 2개의 추가 금속 층(1008, 1009) 및 2개의 추가 금속 간 층(1010, 1011)으로 구성된 것을 제외하고 스프링 구조물(1000)에 비교 가능한 스프링 구조물(1007)이 도시되어 있다. 이하의 표 2에서는 스프링 구조물(1007)이 동일 치수들의 입체 금속 구조물에 비교되어 있다.
구조물(1006) 비교 가능한 입체 비임
관성 모멘트(Z) 11.027 19.621
관성 모멘트(Y) 0.231 0.514
Z 대 Y 강성 비 47.7:1 38.1:1
상기 MEMS 소자에 있는 스프링 구조물의 목적에 의존하여, 상기 금속 층들의 길이가 달라질 수 있다. 예를 들면, MEMS 마이크로폰 다이에서 피스톤-타입의 다이어프램을 지지하는데 사용될 경우에, 이는 대략 100㎛ 일 수 있지만, 가속도계 또는 밸브와 같은 다른 적용 예들에 사용될 경우에, 그의 길이는 상기 소자의 구성 및 이동 구성요소의 질량에 따라 다르게 된다. 마찬가지로, 금속 층들의 개수 및/또는 상기 스프링의 폭은 상기 MEMS 소자에서의 스프링 목적을 위해 필요에 따라 스프링의 강도를 증가 또는 감소하도록 바뀔 수 있다. 일반적으로, 상기 스프링의 강도는 길이의 세제곱에 따라 (역으로) 변하게 되고, 폭에 따라 선형적으로 변하게 되며, 그리고 높이의 세제곱에 따라 변하게 된다.
진공 실링된 MEMS 다이
도 3에서는 유리 전에 단면도로 도시되고, 도 4에서는 유리 및 캐핑(capping) 후에 단면도로 도시된 진공 실링된 MEMS 다이(2000)의 바람직한 실시 예에서는, 유리되지 않은 MEMS 구조물(2001)을 형성하는 금속 및 유리되지 않은 유전체 재료 층들이 챔버(2002)에 존재한다. MEMS 구조물(2001)은 예를 들면 가속도계, 공진기, 자이로스코프 또는 다른 구조물일 수 있다. 유리 전에, 유전체 재료 층(2003)들은 챔버(2002)에서 비어 있는 공간을 충전한다. 금속 및 유전체 재료 층들로 구성될 수 있는 지지 구조물(2004)은 챔버(2002)를 에워싸고, 지지 구조물(2004)은 본 실시 예를 설명하는데 관련이 없는 다른 특징들 및 목적들을 지닐 수 있다. 구조물들(2001, 2004) 및 유전체 재료(2003) 모두는 웨이퍼(2005) 상에 놓여 있다. 1.0㎛ 두께의 알루미늄 층으로 구성된 금속 층(2006)은 지지 구조물(2004) 및 챔버(2002) 상에 데포지트되었다. Si3N4로 구성된 패시베이션 층(2007)은 금속 층(2006) 상에 데포지트되었다. 개구부(2008)는 웨이퍼(2005)를 통해 챔버(2002) 내로 이어진다.
MEMS 다이(2000)에서 유리되지 않은 구조물(2001)을 제조한 후에, 에천트가 개구부(2008)를 통해 챔버(2002) 내로 도입된다. 상기 에천트는 현재 유리된 MEMS 구조물(2001a)에서 그리고 지지 구조물(2004)에서 임의의 노출된 유전체 재료를 포함하는 챔버(2002) 내의 유전체 재료를 제거한다. 지지 구조물(2004)에서의 유전체의 에칭 정도는 에칭 시간에 의해 제어된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 유리 후에, 실리콘 실링 웨이퍼(2009)는 웨이퍼(2005)의 하부에 본딩되었다.
진공 실링된 MEMS 기기(2000)는 예를 들면 다음과 같이 변경한, "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 제조된다.
17. 진공 상태에서는, 정전 본딩(electrostatic bonding), 공정(共晶) 본딩(eutectic bonding), 또는 글라스 프릿(glass frit)과 같은 기법들을 사용하여 다이 웨이퍼의 하부에 실리콘 실링 웨이퍼를 부착한다.
18. 연삭(grinding), 래핑(lapping), 연마(polishing), 화학적-기계적 연마(chemical-mechanical polishing; CMP), 또는 이러한 기법들의 조합들과 같은 기법들을 사용하여 상기 실링 웨이퍼의 두께를 대략 100㎛에 이르기까지 감소시킨다.
19. 상기 실리콘 웨이퍼를 다이싱한다.
경량이지만 견고한 정전용량형 센서 플레이트들
도 5에 일부 도시된 경량이지만 견고한 정전용량형 센서 플레이트(3000)의 경우, 상기 금속 층들(3001, 3002) 각각은 대략 0.5㎛ 두께를 지니며, 알루미늄/구리 합금으로 구성되는 것이 바람직하다. 금속 층들(3001, 3002) 사이에는 금속 간 층(3003)이 존재하며, 상기 금속 간 층(3003)은 대략 0.850㎛ 두께를 지니며 실리콘 산화물로 구성되는 것이 전형적이다. 텅스텐 비어들(3004)은 대략 0.26 평방 ㎛를 지니고, 대략 1.0㎛ 간격으로 떨어져 있으며, 금속 층들(3001, 3002) 사이에 존재한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 개별 금속 층(3001)은 대략 600㎛ 폭의 입체 육각형이지만, 개별 금속 층(3002)은 유사한 형상 및 크기로 이루어지지만 격자 모양으로 이루어져 있으며, 대략 10㎛ 크기로 이루어져 있고 전반에 걸쳐 일정 간격으로 떨어져 있는 정삼각형 개구부들(3005)을 지닌다.
센서 플레이트(3000)는 예를 들면 "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 제조된다.
도 6에 의해 제시된 바와 같이 센서 플레이트(3000)는 스프링들(3006)에 의해 지지 구조물(3007)에 연결될 경우에 피스톤-타입의 정전용량형 마이크로폰에서 다이어프램으로서 사용하기에 이상적이다. 상기 센서 플레이트(3000)가 금속 층들(3001, 3002)을 포함하므로, 어떠한 추가 도전 재료도 상기 정전용량형 플레이트들 중 하나로서의 역할을 하도록 상기 센서 플레이트(3000)용으로 데포지트될 필요가 없다. 더욱이, 상기 센서 플레이트(3000)가 비어들(3004)에 의해 연결되어 있는 금속 층들(3001, 3002)을 지니기 때문에, 상기 센서 플레이트(3000)는 사실상 입체 구성요소로서의 기능을 수행하게 되며, 그럼에도 유리시 금속 간 층(3003)이 삼각형 개구부들(3005)을 통해 제거되기 때문에, 상기 센서 플레이트(3000)는 상당히 가볍고 입체 구성요소보다 높은 공진 주파수들을 지닌다.
상기 센서 플레이트의 형상 및 크기는 상기 센서 플레이트에 대한 적용 예에 따라 달라질 수 있게 된다. 예를 들면, 정전용량형 센서의 백플레이트로서 사용될 경우에, 상기 센서 플레이트는 직사각형이며 상기 센서 구조물을 에워싸는 지지 구조물의 벽들 내로 연장될 수 있다. 더욱이, 정전용량형 센서의 백플레이트로서 사용될 경우에, 금속 층(3001)은 음향적으로 투명하도록 천공될 수 있으며, 변형적으로는 개구부들(3005)이 금속 층(3001)을 통해 연장될 수 있다. 더욱이, 금속 층들(3001 및/또는 3002)에서의 상기 개구부들(3005)의 형상은 임의의 규칙적이거나 불-규칙적인 다각형, 원형, 또는 타원형일 수 있으며, 상기 센서 플레이트의 형상은 임의의 규칙적이거나 불-규칙적인 다각형, 원형, 또는 타원형일 수 있고, 상기 센서 플레이트는 추가 금속 층들일 수 있을 것이다.
기계적 멈추개들
도 7에 도시된 정전용량형 센서 다이어프램(4001)의 기계적 멈추개들(4000a, 4000b)의 바람직한 실시 예에서는, 다이어프램(4001)의 하부 금속 층(4002)의 각각의 변의 에지들이 육각형 형상의 센서 다이어프램(4001) 주변에 번갈아 가며 형성된 패턴으로 상부 금속 층(4003)의 각각의 변의 에지들로부터 약간(대략 10㎛) 오프셋되어 있다. 다시 말하면, 3개의 변 상에서는, 금속 층(4002)의 에지들이 금속 층(4003)을 넘어 연장되어 있으며, 다른 3개의 변 상에서는, 금속 층(4003)의 에지들이 금속 층(4002)을 넘어 연장되어 있다. 금속 층들(4002, 4003)은 대략 0.5㎛ 두께이며 알루미늄/구리 합금으로 구성되어 있다. 금속 층들(4002, 4003) 사이에는 금속 간 층(도시되지 않음, 유리 에칭 동안 제거됨)이 존재하며, 상기 금속 간 층은 대략 0.850㎛ 두께이다. 대략 0.26 평방 ㎛인 복수 개의 텅스텐 비어들(4005)은 금속 층들(4002, 4003) 사이에서 대략 1.0㎛ 간격들을 두고 떨어져 있다.
센서 다이어프램(4001)의 금속 층들(4002, 4003)의 에지들의 패턴과 정반대인 패턴에서는, 지지 구조물(4006)이 금속 층들(4002, 4003)의 오프셋 에지들에 인접한 오프셋 에지들을 갖는 적어도 2개의 금속 층들(4007, 4008)을 포함한다. 다시 말하면, 3개의 변 상에서는, 금속 층(4007)의 에지들이 금속 층(4008)을 넘어 연장되어 있으며, 나머지 3개의 변 상에서는, 금속 층(4008)의 에지들이 금속 층(4007)을 넘어 연장되어 있고, 그럼으로써 금속 층들(4007, 4008)의 에지들이 센서 다이어프램(4001)의 과도한 이동을 방지하는 기계적 멈추개들로서의 역할을 하게 된다.
도 8을 지금부터 참조하면, 압력으로 센서 다이어프램(001)이 상방으로 이동되는 경우에, 금속 층(4002)의 상부는 센서 다이어프램(4001)의 부가적인 상방 이동을 멈추게 하는 기계적 멈추개(4000a)를 생성하도록 금속 층(4007)의 하부와 접촉한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 압력으로 센서 다이어프램(4001)이 하방으로 이동되는 경우에, 금속 층(4003)의 하부는 센서 다이어프램(4001)의 부가적인 하방 이동을 멈추게 하는 기계적 멈추개(4000b)를 생성하도록 금속 층(4008)의 상부와 접촉한다.
기계적 멈추개들(4000a, 40000b)을 지니는 센서는 예를 들면 "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 제조될 수 있다.
다른 한 바람직한 실시 예에서는, 도 10에 도시된 캔틸레버(cantilever; 4009)의 금속 층(4003b)이 금속 층(4003b)으로부터 하방으로 연장된 한 행(row)의 비어들(4005a)을 포함하지만, 금속 층(4002b)은 비어들(4005a)의 하부에 이르기까지 연장되지 않고, 그럼으로써 비어들(4005a)이 동굴의 종유석들과 유사하게 된다. 모든 금속 층들이 0.5㎛ 두께이며, 알루미늄/구리 합금으로 구성된다. 금속 층들 사이에는 금속 간 층(도시되지 않음, 유리 에칭 동안 제거됨)이 존재하며, 상기 금속 간 층은 대략 0.850㎛ 두께이다. 모든 비어들은 대략 0.26 평방 ㎛이며 금속 층들 사이에서 대략 1.0㎛ 간격들을 두고 떨어져 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(4009)가 구성요소(4010)를 향해 하방으로 굽혀지는 경우에, 비어들(4005a)이 구성요소(4010) 상에서 금속 층(4002a)과 물리적으로 접촉할 때 상기 캔틸레버(4009)의 이동은 제한된다. 도 12에 도시된, 본 실시 예에 대한 변형 예에서는, 여러 행의 비어들(4005a)이 금속 층(4003a)으로부터 하방으로 연장되어 있지만, 여러 행의 비어들(4005b)이 금속 층(4002a)으로부터 상방으로 연장되어 있다. 캔틸레버(4009)는 구성요소(4010)를 향해 하방으로 굽혀지는 경우에, 비어들(4005a)이 비어들(4005b)과 물리적으로 접촉할 때 상기 캔틸레버(4009)의 이동은 제한된다.
도 13에 도시된 다른 한 바람직한 실시 예에서는, 이동 가능한 구성요소(4011)의 상부 금속 층이 금속 층(4013)의 기계적 멈추개들과 접촉할 경우에 이동 가능한 구성요소(4011)의 상방 이동이 제한되게 된다. 마찬가지로, 상기 하부 금속 층이 금속 층(4014)의 기계적 멈추개들과 접촉할 경우에 구성요소(4011)의 하방 이동이 제한되게 된다. 이러한 구성에서는, 구성요소(4011)의 상부 및 하부 금속 층들의 에지들이 서로로부터 오프셋될 필요가 없다.
기계적 멈추개들을 지니는 센서는 예를 들면 "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 부분적으로 제조된다. 그러나 표준 CMOS 제조 "규칙들"은 상부 및 하부에 금속 층들을 지니지 않고서는 비어들을 대개 허용하지 않게 하고, 그래서 상기 규칙들은 제조시 무시될 필요가 있다(어떠한 것도 그러한 비어들을 물리적으로 제조하지 못하게 하지 않는다).
도 7 내지 도 12의 실시 예들이 피스톤-타입의 정전용량형 센서들 및 캔틸레버들의 문맥에서 본 발명의 기계적 멈추개들의 사용을 나타내고 있지만, 유사한 기계적 멈추개들이 MEMS 구조물 내에서 다른 기계적 구성요소들의 이동을 제한하는데 사용될 수 있을 것이다. 제한이 아니라 예를 들어, 이러한 실시 예들 중 어느 한 실시 예의 멈추개들은 다이어프램들, 스프링들, 플레이트들, 캔틸레버들, 밸브들, 미러들, 마이크로-그립퍼들 등등의 이동을 제한하는데 사용될 수 있을 것이다.
MEMS 소자용 구조물 지지부들
도 14에 도시된, MEMS 다이(5001)용 구조물 지지부의 제1 바람직한 실시 예에서는, 대략 0.26 평방 ㎛이고 단일 컬럼(column)의 정렬된 비어 텅스텐을 지니는 금속 층들의 패치(patch)들로 구성된 지지 구조물(5002)이 챔버(5003) 내에 존재하며 소자 웨이퍼(5004) 및 금속 층(5005) 사이에 형성된다. 챔버(5003)는 다이 웨이퍼(5004) 및 금속 층(5005) 사이에 연장되어 있다. (개략적으로 도시된) MEMS 구조물(5006)은 또한 상기 챔버 내에 존재한다.
도 15에 도시된, MEMS 다이(5011)용 구조물 지지부의 제2 바람직한 실시 예에서는, 금속 및 금속 간 층들(도시되지 않음, 유리 에칭시 제거됨)이 번갈아 가며 형성되며 상기 금속 층들 간에 금속 비어들을 지니는 지지 필러(5012)는 챔버(5013) 내에 존재하며, 다이 웨이퍼(5014) 및 금속 층(5015) 사이에 형성된다. 챔버(5013)는 다이 웨이퍼(5014) 및 금속 층(5015) 사이에 연장되어 있다. 지지 필러(5012)의 금속 층들은 1 평방 ㎛ 및 5 평방 ㎛ 사이이며 대략 0.555㎛ 두께이고, 알루미늄으로 구성된다. 지지 필러(5012)의 금속 간 층들은 대략 0.850㎛ 두께이다. 지지 필러(5012)의 비어들은 대략 0.26 평방 ㎛이며, 대략 1.0㎛ 간격들을 두고 떨어져 있고, 텅스텐으로 구성된다. 각각의 금속 층 간의 비어들의 개수는 필요한 지지 필러 강도를 이루도록 달라질 수 있게 된다. (개략적으로 도시된) MEMS 구조물(5016)은 또한 상기 챔버 내에 존재한다.
도 16에 도시된, MEMS 다이(5021)의 구조물 지지부의 제3 바람직한 실시 예에서는, 금속 및 금속 간 층들(도시되지 않음, 유리 에칭시 제거됨)이 번갈아 가며 형성되고 상기 금속 층들 사이에 금속 비어들을 지니는, 지지 필러(5022)가 챔버(5023) 내에 존재하며, 금속 층(5015)과 (대략적으로 도시된) MEMS 구조물(5026)의 고정 부분 사이에 형성된다. 챔버(5023)는 다이 웨이퍼(5024) 및 금속 층(5025) 사이에 연장되어 있다. 지지 필러(5022)의 금속 층들은 대략 1 평방 ㎛ 및 5 평방 ㎛이며, 0.5㎛ 두께이고, 알루미늄으로 구성된다. 지지 필러(5022)의 금속 간 층들은 대략 0.850㎛ 두께이다. 지지 필러(5022)의 비어들은 대략 0.26 평방 ㎛이고 텅스텐으로 구성된다.
지지 비어(5002), 필러(5012), 및 필러(5022)는 예를 들면 "일반 제조 기법들"로 위에서 개시한 바와 같은 표준 서브-마이크론 CMOS 제조 기법들을 사용하여 제조된다. 지지부들(5002, 5012, 5022)의 특정한 형상들, 위치들, 및 개수는 상기 MEMS 구조물들(5006, 5016, 5026)의 형상, 위치, 및 목적에 따라 달라질 수 있게 된다.
전형적인 적용 - 정전용량형 마이크로폰
도 17, 도 18, 및 도 19에는 본 발명의 방법들 및 구조물들 중 일부를 사용하여 제조된 MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이(6000)의 한 실시 예에 대한 도면들이 나타나 있다. 육각형의 다이어프램(6001)은 입체 금속 층, 격자 금속 층, 및 상기 2개의 금속 층 간의 복수 개의 금속 비어들을 가지고 구축되었다. 스프링들(6002, 6003, 6004)은 지지 구조물(6005)에 다이어프램을 부착하며 상기 지지 구조물(6005)은 다이어프램을 에워싼다. 3개의 금속 층을 가지고 구축된 스프링들(6002, 6003, 6004)은 각각 대략 1.0:3.6인 폭 대 높이 비를 지닌다. 다이어프램(6001) 및 지지 구조물(6005)은 압력 멈추개들(6006, 6007)을 포함한다. 백플레이트(6008)는 2개의 격자 금속 층, 및 상기 2개의 격자 금속 층 사이에는 존재하는 복수 개의 금속 비어들을 가지고 구축되었다. 다이어프램(6001) 및 백플레이트(6008) 사이에 있는 가드 전극(Guard electrode; 6009)은 상기 지지 구조물에서 상기 다이어프램 및 백플레이트 사이에 존재하는 부유 결합(stray coupling)을 최소화하도록 상기 CMOS 회로에 의해 구동된다. 패드들(6010, 6011)은 상기 다이 및 외부 회로 간의 전기적 연결을 제공한다. 부위(6012)(상기 MEMS 구조물에 의해 점유되지 않은 상기 다이의 부분)는 상기 마이크로폰의 동작을 지원하는 CMOS 회로(예컨대, 전압 제어, 증폭기들, A/D 변환기들 등등)를 포함한다.
동작시, 음파들이 다이어프램(6001)에 부딪침에 따라, 다이어프램(6001)은 상기 구조물(6005) 내에서 피스톤과 같이 상하로 이동하여 다이어프램(6001) 및 백플레이트(6008) 간의 정전용량을 변화시킨다. 스프링들(6002, 6003, 6004)은 파면(wave front)들 사이에서 다이어프램(6001)의 위치를 회복시키도록 하는 기능을 수행한다. 압력 멈추개들(6006, 6007)은 초과 압력 또는 물리적 충격에 응답하여 다이어프램(6001)의 이동을 제한한다.
이러한 실시 예에서는, 백플레이트(6008)가 기판(6013) 상에 배치되고 백플레이트(6008) 상에는 다이어프램(6001)이 배치된다. 변형적으로는, 다이어프램(6001)이 기판(6013) 상에 배치되고 다이어프램(6001) 상에는 백플레이트(6008)가 배치되도록 마이크로폰 다이(6000)가 제조될 수 있을 것이다. 어느 한 실시 예에서는, 마이크로폰 다이(6000)가 어떠한 방식으로 상기 마이크로폰 패키지 내에 장착되는지에 의존하여, 상기 음파들이 상기 상부로부터나 또는 상기 하부로부터 상기 음파들이 다이어프램(6001)에 부딪치게 될 것이다. 한 패키지에 마이크로폰 다이(6000)를 장착하기 위한 여러 구성은 예를 들면 전체 내용이 본원 명세서에 찹조 병합되는 미국 특허 제8,121,331호에 개시되어 있다.
전형적인 적용 - 공진기
도 20 및 도 21에는 본 발명의 방법들 및 구조물들 중 일부를 사용하여 제조된 MEMS 공진기 다이(7000)의 한 실시 예가 도시되어 있다. 고정 콤(fixed comb)들(7001) 및 이동 콤(moving comb)들(7002)은 5개의 금속 층 및 각각의 층 사이에 존재하는 복수 개의 금속 비어들을 가지고 구축되었다. 고정 콤들(7001)은 주변 구조물(7003) 내로 연장되어 있다. 이동 콤들(7002)은 스프링들(7004)에 부착되며, 상기 스프링들(7004)은 다시 앵커(anchor)들(7005)에 부착된다. 상기 MEMS 구조물의 고정 부분들 내에 합체된 앵커들/필러들(7005)은 금속 층들 및 각각의 층 사이에 존재하는 복수 개의 비어들로부터 구축되었으며, 앵커들/필러들(7005)은 이들을 하부 상의 웨이퍼(7006) 및 상부 상의 금속 층(7007)에 연결함으로써 제 위치에 고정되어 있고, 패시베이션 층(7008)은 상기 다이의 상부를 커버(cover)한다. 웨이퍼(7006)에서의 (도시되지 않은) 유리 에칭 액세스 홀들은 실링 웨이퍼(7009)로 커버되어 웨이퍼(7006), 금속 층(7007), 및 주변 구조물(7003)에 의해 형성되는 진공 상태가 상기 챔버 내에 생성된다.
동작시, 교류 전류가 상기 공진기에 인가될 경우에, 이동 콤들(702)의 핑거(finger)들은 고정 콤들(7001)의 핑거들 사이로 이동하며, 상기 공진기의 공진 주파수는 상기 2개의 구성요소 간의 최소 임피던스를 결정한다. 상기 챔버가 진공 상태이면, 앵커들/필러들(7005)은 금속 층(7007)이 이동 콤들(7002)을 휘게 하고 잠재적으로는 이동 콤들(7002)의 이동을 방해하지 않게 한다. 이 때문에, 휘는 것을 고려한 상기 챔버 내의 여분의 공간이 필요하지 않으며 공진기(7000)가 선행기술의 공진기들보다 얇게 된다. 그 외에도, 금속 층(7007)은 전자기 간섭으로부터 상기 공진기를 보호하도록 하는 실드(shield)로서의 기능을 수행하게 된다.
전형적인 적용 - 유체 압력 센서
도 22 및 도 23에는 MEMS 유체 압력 센서 다이(8000)의 한 실시 예가 도시되어 있다. 백플레이트(8001)는 3개의 격자 금속 층 및 각각의 층 사이에 존재하는 복수 개의 금속 비어들로부터 구축되었다. 다이어프램(802)은 백플레이트(8001) 위에 있는 상부 금속 층으로부터 구축되며, Si3N4로 형성된 패시베이션 층(8003)은 상부 다이어프램(8002) 상에 형성된다.
도 23에서 볼 수 있는 바와 같이, 다이어프램(8002)의 외부 부분은 제2 금속 층(8002a)을 포함한다. 금속 층(8002a)은 다이어프램(8002)에 견고성을 추가하며, 상기 센서의 감도를 변화하도록 크기가 달라질 수 있게 된다. 이는 상기 다이어프램이 유리 에칭 프로세스 및 상기 다이어프램을 에워싸는 지지 구조물의 유전체 상의 유리 에칭 프로세스의 공격에 덜 민감하게 한다.
동작시, 센서 다이(8000)가 유체들 또는 가스들에 의해 가해지는 압력에 노출됨에 따라, 다이어프램(802)은 압력량에 비례하여 휘게 되어 다이어프램(8002) 및 백플레이트(8001) 사이에서 정전용량을 변화시킨다. 다이(8000)의 (도시되지 않은) CMOS 회로는 정전용량의 변화를 검출하고 이를 사용가능한 외부 신호로 변환한다. 더욱이, 다이어프램(8002)이 금속 층으로 구성됨에 따라, 상기 다이어프램(8002)은 또한 전자기 간섭으로부터 상기 다이를 보호하도록 하는 저 저항 EMI 실드로서의 기능을 수행한다.
도 22 및 도 23의 실시 예는 절대 압력 센서로서의 기능을 수행한다. 상기 유리 단계 동안, 에천트가 유리 홀(8004)을 통해 들어가고, 유리의 생성 후에, 홀(8004)이 상기 다이 내에 진공 상태를 형성하도록 실링 웨이퍼(8005)를 사용하여 커버된다. 변형 실시 예로서, 센서 다이(8000)는 실링 웨이퍼(8005) 없이 구축됨으로써 차압 센서로서의 기능을 수행하게 될 수 있을 것이다.

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  7. CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이로서,
    상기 CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이는,
    각각의 금속 층이 다른 금속 층에 나란하고 상기 다른 금속 층과 실질적으로 수직 정렬되는 2개의 금속 층을 포함하는 다이어프램으로서, 상기 2개의 금속 층 사이에 금속 간 층을 지니며 상기 2개의 금속 층 사이에 복수 개의 비어들을 지니는, 다이어프램;
    각각의 금속 층이 다른 금속 층에 나란하고 상기 다른 금속 층과 실질적으로 수직 정렬되는 복수 개의 금속 층들을 포함하는 지지 구조물로서, 상기 금속 층들 사이에 복수 개의 금속 간 층들을 지니며 상기 금속 층들 사이에 제1의 복수 개의 비어들을 지니고 상기 지지 구조물의 상부에서부터 상기 지지 구조물의 하부에 이르기까지를 잇는 개구 중심부를 지니는, 지지 구조물;
    각각의 금속 층이 다른 금속 층에 나란하고 상기 다른 금속 층과 실질적으로 수직 정렬되는 2개의 금속 층을 포함하는 스프링으로서, 상기 2개의 금속 층 사이에 금속 간 층을 지니고 상기 2개의 금속 층 사이에 복수 개의 비어들을 지니는, 스프링;
    각각의 금속 층이 다른 금속 층에 나란하고 상기 다른 금속 층과 실질적으로 수직 정렬되는 2개의 금속 층을 포함하는 백플레이트로서, 상기 2개의 금속 층 사이에 금속 간 층을 지니고 상기 2개의 금속 층 사이에 복수 개의 비어들을 지니는, 백플레이트;
    를 포함하며,
    상기 다이어프램 및 백플레이트는 상기 지지 구조물의 개구부 내에 배치되어 있고,
    상기 스프링의 제1 단부 상의 2개의 금속 층은 상기 다이어프램의 에지에 있는 2개의 금속 층에 연결되어 있으며 상기 스프링의 제2 단부 상의 제2 금속 층은 상기 지지 구조물의 에지에 있는 2개의 인접 금속 층들에 연결되어 있으며,
    상기 백플레이트의 2개의 금속 층은 상기 지지 구조물의 2개의 다른 인접 금속 층에 연결되어 있는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다이어프램의 금속 층들 중 하나의 금속 층은 상부 표면 및 하부 표면을 포함하며 상기 상부 표면 및 상기 하부 표면 사이에는 복수 개의 개구부들이 있는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 백플레이트의 금속 층들 중 하나의 금속 층은 상부 표면 및 하부 표면을 지니며 상기 상부 표면 및 상기 하부 표면 사이에는 복수 개의 개구부들이 있는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 다이어프램의 2개의 금속 층 중 하나의 금속 층은 다른 금속 층에 대한 하부 층이며, 상기 다른 금속 층은 상기 하부 층에 대한 상부 층이고,
    상기 상부 및 하부 층들의 형상은 다각형이며, 각각의 층은 동일한 변의 수를 지니고 서로 실질적으로 정렬되고,
    상기 하부 층의 제1 에지의 일부는 상기 상부 층의 제1 에지의 상응하는 일부를 넘어 수평으로 연장되어 제1 멈추개를 정의하며,
    상기 상부 층의 제2 에지의 일부는 상기 하부 층의 제2 에지의 상응하는 일부를 넘어 수평으로 연장되어 제2 멈추개를 정의하고,
    상기 지지 구조물의 개방부의 형상은 다각형이며, 상기 지지 구조물의 개방부는 상기 다이어프램의 금속 층들과 동일한 변의 수를 지니고,
    상기 다이어프램의 상부 층에 상응하는, 상기 지지 구조물의 제1 금속 층의 일부는 상기 개방부 내로 연장되어 상기 제1 멈추개에 수평으로 오버랩하게 되며,
    상기 다이어프램의 하부 층에 상응하는, 상기 지지 구조물의 제2 금속 층의 일부는 상기 개방부 내로 연장되어 상기 제2 멈추개에 수평으로 오버랩하게 되는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
  11. CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이로서,
    상기 CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이는,
    기판;
    상기 기판상에 있으며 서로에 그리고 상기 기판에 나란한 복수 개의 금속 층들로서, 복수 개의 금속 층들과 상기 기판은 일정 간격을 두고 떨어져 있으며 복수 개의 비어들에 의해 연결되어 있는, 복수 개의 금속 층들;
    지지 구조물을 한정하는 상기 복수 개의 금속 층들의 주변 영역;
    백플레이트를 한정하는 상기 복수 개의 금속 층들의 제1 부분집합의 중심 영역;
    갭을 한정하는, 상기 복수 개의 금속 층들의 제1 부분집합 상에 배치되어 있으며 실질적으로 제거된 상기 복수 개의 금속 층들의 제2 부분집합의 중심 영역;
    다이어프램을 한정하는, 상기 복수 개의 금속 층들의 제2 부분집합 상에 배치되어 있는 상기 복수 개의 금속 층들의 제3 부분집합의 중심 영역;
    상기 다이어프램 및 상기 지지 구조물 사이에 복수 개의 금속 층 스트립들을 남기도록 제거된 상기 다이어프램 및 지지 구조물 사이에 있는 상기 복수 개의 금속 층들의 제3 부분집합의 일부;
    를 포함하며,
    상기 복수 개의 금속 층 스트립들은 일 단부 상에 상기 다이어프램에 연결되게 하고 타 단부 상에 상기 지지 구조물에 연결되게 하여 상기 다이어프램이 수직으로 이동할 수 있게 하는 복수 개의 이방성 스프링들을 한정하는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
  12. CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이로서,
    상기 CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이는,
    기판;
    상기 기판상에 있으며 서로에 그리고 상기 기판에 나란한 복수 개의 금속 층들로서, 복수 개의 금속 층들과 상기 기판은 일정 간격을 두고 떨어져 있으며 복수 개의 비어들에 의해 연결되어 있는, 복수 개의 금속 층들;
    지지 구조물을 한정하는 상기 복수 개의 금속 층들의 주변 영역;
    다이어프램을 한정하는 상기 복수 개의 금속 층들의 제1 부분집합의 중심 영역;
    갭을 한정하는, 상기 복수 개의 금속 층들의 제1 부분집합 상에 배치되어 있으며 실질적으로 제거된 상기 복수 개의 금속 층들의 제2 부분집합의 중심 영역;
    백플레이트를 한정하는, 상기 복수 개의 금속 층들의 제2 부분집합 상에 배치되어 있는 상기 복수 개의 금속 층들의 제3 부분집합의 중심 영역;
    상기 다이어프램 및 상기 지지 구조물 사이에 복수 개의 금속 층 스트립들을 남기도록 제거된 상기 다이어프램 및 지지 구조물 사이에 있는 상기 복수 개의 금속 층들의 제1 부분집합의 일부;
    를 포함하며,
    상기 복수 개의 금속 층 스트립들은 일 단부 상에 상기 다이어프램에 연결되게 하고 타 단부 상에 상기 지지 구조물에 연결되게 하여 상기 다이어프램이 수직으로 이동할 수 있게 하는 복수 개의 이방성 스프링들을 한정하는, CMOS MEMS 정전용량형 마이크로폰 다이.
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