KR101698312B1 - 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤스 마이크로폰 패키지를 개시한다. 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰은, 상하로 관통된 백챔버를 구비하는 기판: 백챔버를 커버하면서 주변부가 기판의 상면에 놓여지고 음공이 형성된 제1멤브레인; 제1에어갭을 사이에 두고 상기 제1멤브레인의 상부에 이격 배치된 백플레이트; 제2에어갭을 사이에 두고 상기 백플레이트의 상부에 이격 배치되며, 음공이 형성된 제2멤브레인을 포함한다.
본 발명에 따르면, 하나의 멤스 마이크로폰에 다수 쌍의 멤브레인과 백플레이트를 구현함으로써 소리의 방향이나 음역대에 구애되지 않고 고감도, 고신뢰도의 신호를 얻을 수 있다.

Description

멤스 마이크로폰 및 그 제조방법{MEMS microphone and manufacturing method thereof}

본 발명은 멤스 마이크로폰에 관한 것으로서, 소리의 전달경로나 음역대가 다양한 경우에도 효과적으로 동작할 수 있고, 감도가 향상된 멤스 마이크로폰에 관한 것이다.

마이크로폰은 음향신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로서 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 대체적으로 재질에 따라서는 카본 마이크로폰, 크리스탈 마이크로폰, 마그네틱 마이크로폰 등으로 구분되고, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰과, 멤브레인의 진동에 따른 커패시턴스 변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분될 수 있다.

이중에서 컴퓨터, 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋 등과 같은 휴대용 또는 소형 전자기기에는 ECM(Electret Condenser Microphone), MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰 등과 같은 초소형 콘덴서 마이크로폰이 주로 사용되고 있다.

MEMS마이크로폰은 반도체 제조기술을 응용하여 실리콘 기판에 멤브레인, 백플레이트 등과 같은 마이크로폰 부품들을 초정밀 미세 가공한 것으로서, 열에 취약한 일렉트릿 재료를 사용하지 않기 때문에 고온 리플로우 공정으로 휴대폰 등의 메인기판에 실장하는 것이 가능하고 제품별로 감도의 편차가 크지 않은 장점이 있다. 이러한 이유로 최근 들어 일렛트릿을 사용하는 ECM에 비해 MEMS마이크로폰의 수요가 크게 증가하고 있다.

도 1은 종래 MEMS 마이크로폰 패키지(20)를 예시한 개략적인 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이 MEMS 마이크로폰 패키지(20)는 저면에 외부연결단자(22)를 구비한 인쇄회로기판(21), 인쇄회로기판(21)의 상면에 표면 실장된 MEMS마이크로폰(30)과 증폭소자(25), MEMS마이크로폰(30)과 증폭소자(25)를 연결하는 본딩와이어(26), MEMS마이크로폰(30)과 증폭소자(25)를 둘러싼 채 인쇄회로기판(21)에 결합되고 음공(24)을 가지는 금속재질의 케이스(23)를 포함한다.

MEMS마이크로폰(30)은 실리콘기판(31)의 상부에 형성되고 다수의 음공(35)이 형성된 멤브레인(33), 에어갭(36)을 사이에 두고 멤브레인(33)의 하부에 위치하며 다수의 음공(도 2의 38)이 형성된 백플레이트(34), 실리콘기판(31)의 저면에서 백플레이트(34)가 노출되도록 형성된 백챔버(32)를 포함한다. 도 2의 (a), (b)는 각각 멤브레인(33)과 백플레이트(34)의 평면 형상을 예시한 것이다.

멤브레인(33)과 백플레이트(34)는 각각 도전성 재질이거나 도전성 물질이 코팅된 것으로서, 마주보는 한 쌍의 전극 역할을 한다. 따라서 외부 음압에 의해 멤브레인(33)이 진동하면 멤브레인(33)과 백플레이트(34) 사이의 커패시턴스가 변하면서 전기적 신호를 발생시키게 된다.

증폭소자(25)는 음압에 의해 MEMS마이크로폰(30)에서 발생한 전기적 신호를 증폭하는 것으로서, 일반적으로 주문형 반도체 집적 회로(ASIC, Application-Specific Integrated Circuit)로 구성된다. 증폭소자(25)에서 증폭된 신호는 외부연결단자(22)를 통해 휴대폰 등 전자기기의 메인기판으로 전송된다.

그런데 종래의 MEMS 마이크로폰(30)은 다음과 같은 몇 가지 문제점이 있다.

첫째, 하나의 멤브레인을 사용하므로 멤브레인의 반대쪽으로부터 전달되는 소리에 대해서는 감도가 떨어지는 단점이 있다.

둘째, 멤브레인의 크기나 두께는 고정되어 있으므로 모든 음역대에 대해 높은 감도를 구현하기는 매우 어려우며, 따라서 특정 음역대에 대해서는 낮은 감도를 감수해야 하는 한계가 있다.

셋째, 멤브레인은 가장자리 부분이 기판에 대해 고정되므로 멤브레인의 진동폭을 늘리는데 한계가 있으며, 이로 인해 감도를 높이는데 한계가 있다.

한국등록특허 제10-0925558호(2009.11.05 공고)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소리의 방향에 구애되지 않는 고감도 멤스 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 다양한 음역대의 소리에 대해서 높은 감도를 얻을 수 있는 멤스 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 멤브레인의 진동폭을 증가시켜 감도를 향상시키고, 제조공정도 단순한 멤스 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 종래의 멤브레인이나 백플레이트의 형상을 개선하여 멤스 마이크로폰의 감도를 향상시키는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 상하로 관통된 백챔버를 구비하는 기판: 백챔버를 커버하면서 주변부가 기판의 상면에 놓여지고 음공이 형성된 제1멤브레인; 제1에어갭을 사이에 두고 상기 제1멤브레인의 상부에 이격 배치된 백플레이트; 제2에어갭을 사이에 두고 상기 백플레이트의 상부에 이격 배치되며, 음공이 형성된 제2멤브레인을 포함하는 멤스 마이크로폰을 제공한다.

본 발명의 일 양상에 따른 멤스 마이크로폰에서, 상기 제1에어갭과 상기 제2에어갭의 높이는 서로 다를 수 있다.

본 발명의 다른 양상은, 기판의 상면에 제1멤브레인을 형성하고, 제1멤브레인에 음공을 형성하는 단계; 제1멤브레인의 주변에 절연층을 형성하고, 절연층으로 둘러싸인 공간에 제1희생층을 형성하는 단계; 제1희생층의 상면에 백플레이트를 형성하는 단계; 백플레이트의 주변에 절연층을 형성하고, 절연층으로 둘러싸인 공간에 제2희생층을 형성하는 단계; 제2희생층의 상면에 제2멤브레인을 형성하고, 제2멤브레인에 음공을 형성하는 단계; 기판의 저면에서 제1멤브레인이 노출되도록 백챔버를 형성하는 단계; 제1희생층과 제2희생층을 제거하는 단계를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 하나의 멤스 마이크로폰에 다수 쌍의 멤브레인과 백플레이트를 구현함으로써 소리의 방향이나 음역대에 구애되지 않고 고감도, 고신뢰도의 신호를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 MEMS마이크로폰의 개략적인 구성을 나타낸 단면도
도 2는 종래 MEMS마이크로폰에 사용되는 멤브레인과 백플레이트를 예시한 도면
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 단면도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 제작방법을 나타낸 공정순서도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 단면도
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 제작방법을 나타낸 공정순서도
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 사시도
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 평면도 및 측면도
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰에 사용되는 멤브레인의 다양한 변형예를 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 변형예를 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 다른 변형예를 나타낸 도면
도 12 내지 도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰의 또 다른 다양한 변형예를 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS마이크로폰에 스토퍼가 형성된 모습을 나타낸 도면
도 17a 내지 도 21b는 MEMS마이크로폰에 형성된 멤브레인과 백플레이트의 다양한 조합과 단면구조를 나타낸 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 먼저 첨부된 도면에는 실제 MEMS 마이크로폰의 치수보다 과장되게 도시된 부분이 많은데, 이것은 설명과 이해의 편의를 위한 것이므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 됨을 미리 밝혀둔다.

제 1 실시예

본 발명의 제1실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100)은 도 3의 단면도에 나타낸 바와 같이, 기판(110), 기판(110)의 상면과 하면에 각각 형성된 제1절연층(121), 제1절연층(121)의 상면에 서로 이격되어 적층된 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132), 제1절연층(121)의 주변부를 따라 적층되며 제1 및 제2 백플레이트(131, 132)의 가장자리 상면을 둘러싸는 제2절연층(122)을 포함한다.

또한 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)의 사이에서 상부로 돌출되고 하단이 제1절연층(121)에 접하는 격벽(125)과, 제1 및 제2백플레이트(131,132)의 상부에 각각 위치하고 주변부가 제2절연층(122)과 격벽(125)에 거치되는 제1 및 제2 멤브레인(161,162)을 포함한다.

따라서 제1백플레이트(131)와 제1멤브레인(161)의 사이에는 제2절연층(122)과 격벽(125)의 일측에 의해 둘러싸인 제1에어갭(151)이 형성되고, 제2백플레이트(132)와 제2멤브레인(162)의 사이에는 제2절연층(122)과 격벽(125)의 타측에 의해 둘러싸인 제2에어갭(152)이 형성된다.

기판(110)은 실리콘 재질인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1절연층(121)과 제2절연층(122)은 실리콘산화막(SiOx), 실리콘질화막(SiNx) 등일 수도 있고, 기타 다른 절연성 재질일 수도 있다.

제1 및 제2백플레이트(131,132)는 도전성 재질로서, 금속재질일 수도 있고 이온 도핑된 반도체물질(예, 폴리실리콘)일 수도 있고, 기타 다른 도전성 물질일 수도 있다.

제1 및 제2멤브레인(161,162)은, 도전성 재질로서, 금속재질일 수도 있고, 이온 도핑된 반도체물질일 수도 있고, 기타 다른 도전성 물질일 수도 있다.

도면에는 나타내지 않았으나, 기판(110)에는 제1 및 제2백플레이트(131,132)에 각각 연결되는 전기적 회로패턴과, 제1 및 제2백플레이트(161,162)에 각각 연결되는 전기적 회로패턴이 형성된다.

한편 제1 및 제2백플레이트(131,132)는 격벽(125)에 의해 전기적으로 절연되는 것이 바람직하고, 제1 및 제2멤브레인(161,162)도 서로 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다.

이렇게 하면, 제1백플레이트(131)와 제1멤브레인(161)이 하나의 전극 쌍을 이루고, 제2백플레이트(132)와 제2멤브레인(162)이 다른 전극 쌍을 이루게 되므로 2개의 마이크로폰이 구현된 것과 실질적으로 동일해진다.

특히, 제1 멤브레인(161)과 제2멤브레인(162)의 크기를 다르게 하면 음역대별 감도가 서로 달라질 수 있으므로, 각 백플레이트/멤브레인 쌍에서 발생한 신호를 각각 처리하면 고음대역과 저음대역을 최대한 효과적으로 획득할 수 있고, 이를 통해 실제 소리에 가까운 고감도의 마이크로폰을 구현할 수 있다.

또한 본 발명의 제1 실시예에 따르면 도 1에 나타낸 바와 같은 백챔버(32)를 형성할 필요가 없으므로 제조공정이 매우 간단해지는 이점도 있다.

한편 본 발명의 제1실시예는 2개의 멤브레인/백플레이트 쌍을 포함하는 MEMS마이크로폰을 제시하고 있으나, 필요에 따라서는 멤브레인/백플레이트 쌍을 3개 이상 형성할 수도 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100)의 제조방법을 설명한다. 다만, 아래에서 설명하는 제조방법은 예시적인 것이므로 구체적인 적용에 있어서는 다양한 형태로 변형될 수 있다.

먼저 기판(110)의 상면과 하면에 각각 제1절연층(121)을 형성하고, 제1절연층(121)의 상면에 도전성 재질의 백플레이트(130)를 증착한다. (도 4 (a),(b) 참조)

이어서, 백플레이트(130)를 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)로 분리하는 식각홈(135)을 형성한다. 식각홈(135)은 제1절연층(121)이 노출되는 깊이까지 형성되어야 하며, DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 등의 건식식각법을 통해 형성할 수도 있고, 기타 다른 방법으로 형성할 수도 있다. (도 4 (c) 참조)

이어서 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)에 대응하는 패턴의 감광성 마스크(도면에는 나타내지 않았음)를 부착한 후 제1절연층(121)의 상부에 제2절연층(122)을 증착한다.

제2절연층(122)은 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)의 상면 가장자리의 일부를 둘러싸면서 제1절연층(121)의 주변부를 따라 형성되며, 특히 식각홈(135)의 내부에도 증착되어야 한다. 식각홈(135)의 내부에 증착된 제2절연층(122)은 이후에 제1에어갭(151)과 제2에어갭(152)을 분리하는 격벽(125)으로 활용된다.

제2절연층(122)의 증착두께는 에어갭(151,152)의 폭을 고려하여 결정하면 된다. 제2절연층(122)을 증착한 후에 마스크를 제거하면 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)의 상부에 각각 제2절연층(122)과 격벽(125)에 의해 둘러싸인 공간이 형성되며, 이 공간은 이후에 에어갭(151,152)을 활용되는 부분이다. (도 4 (d) 참조)

이어서 제1백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)의 상부공간에 각각 희생층(170)을 증착한다. 희생층은 이후 제거되어야 하는 부분으로서, 산화막, 포토레지스트 등의 재질이 사용될 수 있다.

희생층(170)을 증착한 후에는 화학기계적 연마(CMA)를 통해 상면을 평탄화시켜야 하며, 이때 주변부의 제2절연층(122)과 중앙부의 격벽(125)이 동일한 높이로 평탄화되는 것이 바람직하다. (도 4 (e) 참조)

이어서 희생층(170)의 상부에 도전성 재질의 멤브레인(130)을 증착하고, 건식식각 등을 통해 멤브레인(130)에 다수의 음공(165)을 형성한다. 이 과정에서 멤브레인(130)을 제1멤브레인(131)과 제2멤브레인(132)으로 분리할 수도 있다. (도 4 (f) 참조)

멤브레인(130)에 음공(165)을 형성한 후에는 멤브레인(130) 하부에 위치하는 희생층(170)을 제거한다. 이때 희생층(170)의 종류에 따라 산,알카리 유기용제를 이용하여 희생층(170)을 제거할 수도 있고, 산소플라즈마 애싱 같은 건식법으로 희생층(170)을 제거할 수도 있다. (도 4 (g) 참조)

제 2 실시예

본 발명의 제2실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100a)은 도 5의 단면도에 나타낸 바와 같이, 백플레이트(130)의 하부에는 제1에어갭(151)을 사이에 두고 제1 멤브레인(161)이 배치되고, 백플레이트(130)의 상부에는 제2에어갭(152)을 사이에 두고 제2멤브레인(162)이 배치되는 점에 특징이 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 기판(110)에는 상하로 관통된 백챔버(180)가 형성되고, 기판(110)의 상면과 하면에 각각 제1절연층(121)이 형성되며, 제1멤브레인(161)은 백챔버(180)의 상부를 커버하면서 주변부가 제1절연층(121)의 상면에 놓여진다.

제1절연층(121)의 상부에는 제1멤브레인(161)의 상면 가장자리를 둘러싸는 제2절연층(122)이 소정 높이로 형성된다. 백플레이트(130)는 제1에어갭(151)을 사이에 두고 제2멤브레인(161)과 평행하게 배치되고, 백플레이트(130)의 주변부는 제2절연층(122)의 상부에 놓여진다.

또한 제2절연층(122)의 상부에는 백플레이트(130)의 상면 가장자리를 둘러싸는 제3절연층(123)이 소정 높이로 형성된다. 제2멤브레인(162)은 제2에어갭(152)을 사이에 두고 백플레이트(130)와 평행하게 배치되고, 제2멤브레인(162)의 주변부는 제3절연층(123)의 상부에 놓여진다.

제1 및 제2 멤브레인(161)에는 각각 음공(165)이 형성된다.

제1실시예와 마찬가지로 기판(110)은 실리콘 재질인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 제1 내지 제3절연층(121,122,123)은 실리콘산화막(SiOx), 실리콘질화막(SiNx) 등일 수도 있고, 기타 다른 절연성 재질일 수도 있다. 백플레이트(130), 제1 멤브레인(161) 및 제2멤브레인(161,162)은 각각 도전성 재질로서, 금속재질일 수도 있고 이온 도핑된 반도체물질(예, 폴리실리콘)일 수도 있고, 기타 다른 도전성 물질일 수도 있다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 백플레이트(130)와 제1멤브레인(161)이 하나의 전극 쌍을 이루고, 백플레이트(130)와 제2멤브레인(162)이 다른 전극 쌍을 이루게 되므로 실질적으로는 하나의 기판(110)에 2개의 마이크로폰이 구현된 것과 동일해진다.

특히, 제1 멤브레인(161)과 제2멤브레인(162)이 백플레이트(130)의 반대쪽에 위치하므로 각각 다른 방향에서 유입되는 소리에 대해 각각 다른 감도를 발휘할 수 있다. 이러한 점을 이용하면 노이즈를 보다 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전자장치의 방향에 크게 구애되지 않고 멤스 마이크로폰(100b)을 설치할 수 있어 설계자유도를 크게 향상시킬 수 있다.

또한 동일한 음원에서 발생한 소리도 제1 및 제2멤브레인(161,162)에 도달하는 거리가 다르기 때문에 이로 인해 발생하는 전기적 신호에도 차이가 있으며, 이러한 점은 노이즈 제거 등에 활용될 수 있다.

또한 제1에어갭(151)과 제2에어갭(152)의 폭을 서로 다르게 하여도 각 멤브레인/백플레이트 쌍의 감도가 달라지므로 이 점을 활용하여 음역대를 구분하여 신호처리를 하거나 노이즈 제거 등에 활용할 수도 있을 것이다.

이하에서는 도 6a 및 도 6b를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100a)의 제조방법을 설명한다. 다만, 아래에서 설명하는 제조방법은 예시적인 것이므로 구체적인 적용에 있어서는 다양한 형태로 변형될 수 있다.

먼저 상면과 하면에 각각 제1절연층(121)이 형성된 기판(110)을 준비하고, 제1절연층(121)의 상면에 도전성 재질의 제1멤브레인(161)을 증착한다. 이어서 건식식각 등을 통해 제1멤브레인(161)에 음공(165)을 형성한다. (도 6a, (a),(b)참조)

이어서, 제1절연층(121)의 주변부를 따라 제1멤브레인(161)의 가장자리의 상면을 둘러싸는 제2절연층(122)을 형성한다.

이에 따라 제1멤브레인(161)의 상부에는 제2절연층(122)에 의해 둘러싸인 공간이 형성되며, 이 공간의 내부에 제1희생층(171)을 형성하고 제1희생층(171)과 제2절연층(122)의 상면을 화학기계적 연마를 통해 평탄화한다. (도 6a, (c),(d)참조)

이어서 제1희생층(171)의 상부에 도전성 재질의 백플레이트(130)를 증착한다. 이때 백플레이트(130)의 가장자리가 제2절연층(122)의 상부에 놓여지도록 증착하는 것이 바람직하다. 백플레이트(130)를 증착한 후에는 제2절연층(122)의 주변부를 따라 백플레이트(130)의 가장자리의 상면을 둘러싸는 제3절연층(123)을 형성한다. (도 6a, (e)참조)

이어서, 제3절연층(123)으로 둘러싸인 공간에 제2희생층(172)을 형성하고, 제2희생층(172)과 제3절연층(123)의 상면을 평탄화한다. (도 6b, (e)참조)

이어서 제2희생층(172)의 상부에 도전성 재질의 제2멤브레인(162)을 증착하고, 건식식각 등을 통해 제2멤브레인(162)에 음공(165)을 형성한다. 이때 제2멤브레인(162)의 가장자리가 제3절연층(132)의 상부에 놓여지도록 증착하는 것이 바람직하다. (도 6b, (f)참조)

이어서 기판(110)의 저면에 형성된 제1절연층(121)의 일부를 건식식각 등으로 제거한 후에, TMAH, KOH 등의 식각액을 이용한 습식식각으로 제1멤브레인(161)의 저면이 노출되는 깊이로 기판(110)을 제거한다. 이렇게 제거된 공간은 백챔버(180)로 제공된다. (도 6b, (g)참조)

이어서 제1 및 제2희생층(171,172)을 제거하면, 백플레이트(130)의 양쪽에 제1멤브레인(161)과 제2멤브레인(162)이 배치된 MEMS 마이크로폰(100a)이 제조된다. (도 6b, (d)참조)

제 3 실시예

본 발명의 제3실시예는 제1 및 제2 실시예에 비하여 보다 간단한 방법으로 제조할 수 있는 새로운 구조의 MEMS 마이크로폰에 관한 것이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100b)은 도7의 사시도, 도 8의 평면도 및 측면도에 나타낸 바와 같이, 기판(110), 기판(110)의 일측에 형성되고 수평면(113)과 수직면(114)으로 이루어진 단차부(112), 단차부(112)의 수직면(114)에 형성된 백플레이트(130), 에어갭(150)을 사이에 두고 백플레이트(130)와 나란하게 배치되며 하단이 단차부(112)의 수평면(113)에 결합된 멤브레인(160)을 포함한다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100b)에서는 멤브레인(160)의 하단만이 기판(110)에 고정되고 상단은 자유단으로 제공된다. 따라서 멤브레인(160)의 가장자리가 대부분 기판(110)에 대해 고정되는 경우보다 멤브레인(160)의 진동폭이 커지며, 이로 인해 MEMS 마이크로폰의 감도가 크게 향상될 수 있는 장점이 있다.

한편, 기판(110)은 실리콘 재질인 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 단차부(112)의 수평면(113)과 수직면(114)에는 각각 절연층(도면에는 나타내지 않았음)이 형성되고, 백플레이트(130)는 절연층의 바깥쪽에 증착되는 것이 바람직하며, 멤브레인(160)의 하단도 절연층의 상부에 접하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100b)은 매우 간단한 구조를 가진다. 따라서 다양한 방법으로 제조할 수 있으므로 생산성이나 제조환경을 감안하여 적절한 제조방법이 선택될 수 있다.

일 예로서, 기판(110)의 일측에 수평면(113)과 수직면(114)를 포함하는 단차부(112)를 형성하는 공정을 진행한 후에, 수직면(114)의 외측에 도전성 재질의 백플레이트(130)를 형성하는 공정과, 수평면(113)의 상부에 도전성 재질의 멤브레인(160)을 형성하는 공정을 동시에 진행할 수 있다.

다른 예로서, 기판(110)의 일측에 단차부(112)를 형성하는 공정, 수직면(114)의 외측에 도전성 재질의 백플레이트(130)를 형성하는 공정, 수평면(113)의 상부에 도전성 재질의 멤브레인(160)을 증착하거나 결합하는 공정을 순차적으로 진행할 수도 있다.

또 다른 예로서, 기판(110)에 건식식각을 통해 2개의 트렌치를 형성하는 공정, 각 트렌치에 도전성 물질을 증착하여 백플레이트(130)와 멤브레인(160)을 형성하는 공정, 백플레이트(130)와 멤브레인(160) 사이의 기판(110)과 멤브레인(160)의 바깥쪽에 위치하는 기판(110)을 제거하는 공정 등을 순차적으로 진행할 수도 있다.

한편 본 발명의 제3 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100b)에서는 에어갭(150)이 상부로 개방되기 때문에 멤브레인(160)에 반드시 음공(165)을 형성하지 않아도 된다.

다만, 멤브레인(160)의 유연성을 향상시키기 위하여 도 9에 나타낸 바와 같이 다양한 형상이 적용될 수 있다. 즉, 도 9(a)에 나타낸 바와 같이 멤브레인(160)의 전면에 걸쳐 음공(165)을 형성할 수도 있고, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이 멤브레인(160)에 세로방향의 슬릿(168)을 형성할 수도 있고, 도 9(c)에 나타낸 바와 같이 멤브레인(160)의 하단에 지그재그 형상의 패턴을 갖는 탄성연결부(167)를 형성할 수도 있다.

또한 도 9(d) 내지 도 9(f)에 나타낸 바와 같이, 멤브레인(160)의 형상을 다양하게 할 수도 있다. 또한 도 9(g)에 나타낸 바와 같이 멤브레인(160)에 전술한 구성들을 복합적으로 적용할 수도 있다.

또한 도 7 및 도 8에 나타낸 MEMS 마이크로폰(100b)은 멤브레인(160)의 일측이 외부로 노출되어 있어 멤브레인(160)의 전방에서 유입되는 음압에 대한 감도가 뛰어나다. 그러나 이러한 구성은 예시에 불과할 뿐이며 실제 적용에 있어서는 다양한 형태로 변형될 수 있다.

일 예로서, 도 10의 MEMS 마이크로폰(100c)과 같이, 기판(110)에 상하방향의 관통공(190)을 형성하고, 관통공(190)의 일측에 멤브레인(160)과 백플레이트(130)를 배치할 수도 있다. 구체적으로 설명하면, 관통공(190)의 일측에 수평면(113)과 수직면(114)을 포함하는 단차부(112)를 형성하고, 수직면(114)에는 백플레이트(130)를 형성하고, 관통공(190)에 인접하는 수평면(113)의 가장자리 부근에 멤브레인(160)의 하단을 고정할 수도 있다. 이때 백플레이트(130)와 멤브레인(160)의 사이에는 상부로 개방된 에어갭(150)이 형성된다.

이와 같은 구조의 MEMS 마이크로폰(100c)에 외부 음압이 가해지면, 멤브레인(160)이 진동을 하면서 전기적 신호가 발생하게 되고, 가해진 음압은 관통공(190)을 통해 해소된다.

다른 예로서, 도 11의 MEMS 마이크로폰(100d)과 같이, 기판(110)에 상하로 형성된 관통공(190)의 일측에는 제1에어갭(151)을 사이에 두고 제1멤브레인(161)과 제1백플레이트(130)를 나란히 형성하고, 관통공(190)의 타측에는 제2에어갭(152)을 사이에 두고 제2멤브레인(162)과 제2백플레이트(130)를 나란히 형성할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 관통공(190)의 일측과 타측에 각각 수평면(113)과 수직면(114)을 포함하는 단차부(112)를 형성하고, 각 단차부(112)의 수직면(114)에 각각 제1 백플레이트(131)와 제2백플레이트(132)를 형성하는 한편 관통공(190)에 인접하는 각 단차부(112)의 수평면(113)에는 각각 제1멤브레인(161)과 제2멤브레인(162)을 형성한다.

이러한 MEMS 마이크로폰(100d)에 외부 음압이 가해지면, 2개의 멤브레인(161,162)이 동시에 진동을 하면서 각각 전기적 신호를 발생하게 되고, 가해진 음압은 관통공(190)을 통해 해소된다.

이 경우 제1 및 제2 멤브레인(161,162)의 두께, 길이, 재질 등을 서로 다르게 하거나, 제1에어갭(151)과 제2에어갭(152)의 폭을 다르게 형성하면, 각 멤브레인/백플레이트 쌍의 감도가 달라지므로 이러한 점을 이용하여 음역대별로 다른 감도의 신호를 생성하여 전체 음역대에 대한 감도를 높이를 수도 있고, 노이즈 제거에 활용할 수도 있다.

한편 도 11의 MEMS 마이크로폰(100d)에는 기판(110)의 관통공(190) 주변에 2개의 멤브레인/백플레이트 쌍이 형성되었으나, 더 많은 개수의 멤브레인/백플레이트 쌍이 형성될 수도 있다.

예를 들어, 도 12의 MEMS 마이크로폰(100e)에 나타낸 바와 같이, 관통공(190)의 주변에 사각형의 네변 모양으로 백플레이트(130)를 형성하고, 백플레이트(130)와 관통공(190)의 사이에 백플레이트(130)의 각 변과 평행한 제1내지 제4멤브레인(161,162,163,164)을 형성할 수도 있다. 이때 백플레이트(130)는 전기적으로 연결된 상태일 수도 있고, 각 멤브레인과 일대일 대응하도록 4개로 분할될 수도 있다.

또한 도 13에 나타낸 바와 같이, 관통공(190)의 주변에 삼각, 오각, 육각, 원, 타원 등의 형상으로 백플레이트(130)를 형성하고, 백플레이트(130)와 관통공(190)의 사이에 다수의 멤브레인을 형성할 수도 있다.

또한 도 14의 MEMS 마이크로폰(100f)에 나타낸 바와 같이, 하나의 기판에 2개의 관통공(191,192)을 형성하고, 각 관통공(191,192)의 내측에 각각 백플레이트(130)와 이에 대응하는 다수의 멤브레인(161,162,163,164)을 형성할 수도 있다.

이러한 관통공의 개수나 형상은 특별히 한정되지 않으므로, 도 15에 나타낸 바와 같이 3개 이상의 관통공(190)을 형성할 수도 있고, 각 관통공(190)의 평면형상도 사각, 원형, 육각형, 삼각형, 다원형 등 다양한 형태로 구현할 수 있다.

이때 백플레이트(130)도 관통공(190)에 대응하는 형상으로 형성되는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

한편 본 발명의 제3실시예에 따른 MEMS 마이크로폰(100b,100c,100d,100e,100f)은 멤브레인(160,161,162)의 상단이 자유단으로 제공되기 때문에 과도한 진동으로 인해 멤브레인(160,161,162)의 손상이 유발될 수 있다.

이를 방지하기 위해서는, 도 16의 MEMS 마이크로폰(100g)에 나타낸 바와 같이, 단차부(112)의 수직면(114)의 상단 부근에 멤브레인(160)을 향해 돌출된 스토퍼(118)를 형성하여 멤브레인(160)의 진폭을 제한할 수도 있다. 이러한 스토퍼(118)는 단차부(112)의 수직면(114)에만 형성할 수도 있고, 멤브레인(160)을 사이에 두고 수직면(114)과 마주보는 관통공(190)의 내측벽에 돌출 형성할 수도 있다.

제 4 실시예

한편, 종래의 MEMS 마이크로폰은 도 2에 나타낸 바와 같이 멤브레인(33)과 백플레이트(34)에 각각 음공(35,38)이 형성되고, 특히 멤브레인(33)의 주변부에는 배기홀(37)이 추가로 형성된 경우가 많다. 이와 같이 음공(35,38)을 형성하는 것은 에어갭(36)에 가해지는 외부 음압을 빠르게 해소시킴으로써 멤브레인(33)의 동작이 방해 되는 것을 방지하기 위함이다.

그런데 최근 MEMS 마이크로폰의 크기가 갈수록 소형화되면서 기존의 멤브레인이나 백플레이트로는 외부의 음압을 빠르게 해소하지 못하여 고감도를 구현하는 것이 어려운 경우가 자주 발생하고 있다.

본 발명의 제4실시예는 이러한 문제를 해결하고자 제안된 것으로서, MEMS 마이크로폰에서 에어갭에 가해진 음압을 보다 빠르게 해소할 수 있는 새로운 형상의 멤브레인과 백플레이트에 관한 것이다.

일 실시예로서, 도 17a는 백플레이트(130)는 종래와 마찬가지로 예를 들어 원형의 형상이면서 음공을 구비하는데 반하여, 이와 대응하는 멤브레인(160a,160b)은 양단이 기판(110)에 연결되는 대략 직사각형인 경우와, 직사각형이 수직으로 교차되어 4개의 단부가 기판(110)에 연결되는 십자형인 경우를 나타낸 것이다. 이때 멤브레인(160a,160b)의 보다 원활한 진동을 위하여 멤브레인(160a,160b)의 각 고정단의 내측에 지그재그 형상의 패턴을 갖는 탄성연결부(167)를 형성하는 것이 바람직하다.

도 17b는 이러한 백플레트(130)와 멤브레인(160a,160b)이 사용된 MEMS 마이크로폰(200)의 단면을 나타낸 것이다.

도 17b를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면 멤브레인(160a,160b)의 양측과 기판(110)의 사이에 상당한 공간이 형성되므로 멤브레인(160a,160b)에 배기홀을 추가로 형성할 필요가 없다. 또한 도 17a에는 각 멤브레인(160a,160b)에 음압해소를 위한 음공(165)이 형성된 것으로 나타나 있으나 경우에 따라서 이러한 음공은 생략될 수도 있다.

또한 본 실시예에 따르면 멤브레인(160a,160b)이 기판(110)에 고정되는 부분이 작기 때문에 종래보다 멤브레인(160a,160b)의 진동이 용이해지므로 높은 감도를 구현할 수 있는 이점이 있다.

다른 실시예로서, 도 18a는 백플레이트(130a)와 멤브레인(160c)이 모두 양단이 기판(110)에 고정되거나 연결되는 직사각형인 경우를 나타낸 것이고, 도 18b는 이러한 백플레트(130a)와 멤브레인(160c)이 사용된 MEMS 마이크로폰(200)의 단면을 나타낸 것이다.

이 경우에는, 기판(110)과 백플레트(130a)의 양측 사이 및, 기판(110)과 멤브레인(160c)의 양측 사이에 모두 상당한 공간이 형성되므로 도 17a 및 도 17b의 경우보다 공기의 유동이 훨씬 원활해지며, 따라서 멤브레인(160c)에 음압해소를 위한 음공을 생략할 수도 있다. 다만, 이 경우에도 멤브레인(160c)의 원활한 진동을 위하여 양측 고정단의 내측에 지그재그 형상의 패턴을 갖는 탄성연결부(167)를 형성하는 것이 바람직하다.

또 다른 실시예로서, 도 19a는 멤브레인(160)은 종래와 마찬가지로 예를 들어 원형의 형상이면서 음공과 배기홀을 구비하는데 반하여, 이와 대응하는 백플레이트(130a,130b)가 양단이 기판(110)에 고정되는 직사각형인 경우와, 2개의 직사각형이 수직으로 교차되어 4개의 단부가 기판(110)에 고정되는 십자형인 경우를 나타낸 것이다.

도 19b는 이러한 백플레트(130a,130b)와 멤브레인(160)이 사용된 MEMS 마이크로폰(200)의 단면을 나타낸 것이다.

도 19b를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면 백플레트(130a,130b)의 양측과 기판(110)의 사이에 상당한 공간이 형성되므로 백플레트(130a,130b)에 음압해소를 위한 음공을 형성하지 않아도 되는 이점이 있다.

또 다른 실시예로서, 도 20a는 멤브레인(160)은 종래와 마찬가지로 예를 들어 원형의 형상이면서 음공과 배기홀을 구비하는데 반하여, 이와 대응하는 백플레이트(130c)는 중앙에 관통공(134)이 형성된 중앙관통형을 나타낸 것이다.

도 20b는 이러한 백플레트(130c)와 멤브레인(160)이 사용된 MEMS 마이크로폰(200)의 단면을 나타낸 것이다.

도 20b를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면 백플레트(130c)의 관통공(134)을 통해 에어갭의 음압이 쉽게 해소되므로 백플레트(13c)에 음압해소를 위한 음공을 형성하지 않아도 되는 이점이 있다.

또 다른 실시예로서, 도 21a는 멤브레인(160)은 종래와 마찬가지로 예를 들어 원형의 형상이면서 음공과 배기홀을 구비하는데 반하여, 이와 대응하는 백플레이트(130d, 130e)는 다수의 관통공이 격자형으로 형성된 그물형과, 다수의 슬릿형 관통공이 나란하게 촘촘하게 배치된 와이어형을 나타낸 것이다.

그물구조의 백플레이트(130d)는 실제로 그물망을 부착하여 구현할 수도 있고, 격자형으로 형성되는 격벽을 인접하는 관통공의 직경에 비해 매우 얇게 형성하여 구현할 수도 있다. 와이어 구조의 백플레이트(130e)는 실제로 다수의 와이어를 부착하여 구현할 수도 있고, 일자형의 격벽을 인접하는 관통공의 폭보다 매우 얇게 형성하여 구현할 수도 있다.

도 21b는 이러한 백플레트(130d,130e)와 멤브레인(160)이 사용된 MEMS 마이크로폰(200)의 단면을 나타낸 것이다.

도 21b를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면 백플레트(130d,130e)에 형성된 관통공의 총면적이 종래 보다 훨씬 커지기 때문에 에어갭의 음압이 매우 빠르게 해소되므로 멤브레인(160)의 진동저항이 크게 줄어 들어 감도가 향상되는 이점이 있다.

본 발명의 제4실시예서는, 멤브레인이 백플레이트의 상부에 위치하는 경우를 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것이므로 멤브레인이 백플레이트의 하부에 위치하는 경우에도 적용될 수 있다.

또한 본 발명의 제4실시예에서는, 멤브레인이나 백플레이트의 기본 형상이 원형인 경우를 가정하여 설명하였으나, 멤브레인이나 백플레이트의 기본형상이 사각형인 경우에도 적용될 수 있다.

이와 같이 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

100, 200: 멤스 마이크로폰 110: 기판
112: 단차부 113; 수평면
114; 수직면 118; 스토퍼
121: 제1절연층 122; 제2절연층
123: 제3절연층 125: 격벽
130: 백플레이트 131,132: 제1, 제2백플레이트
134: 관통공 135: 식각홈
150: 에어갭 151,152: 제1, 제2 에어갭
160: 멤브레인 161,162,163,164: 제1, 제2, 제3, 제4멤브레인
165: 음공 167: 탄성연결부
168: 슬릿 170: 희생층
171,172: 제1, 제2 희생층 180: 백챔버
190: 관통공

Claims (3)

1. 삭제
2. 상하로 관통된 백챔버를 구비하는 기판:
   백챔버를 커버하면서 주변부가 기판의 상면에 놓여지고 음공이 형성된 제1 멤브레인;
   제1 에어갭을 사이에 두고 상기 제1 멤브레인의 상부에 이격 배치된 백플레이트;
   제2 에어갭을 사이에 두고 상기 백플레이트의 상부에 이격 배치되며, 음공이 형성된 제2멤브레인
   을 포함하며, 상기 제1에어갭과 상기 제2에어갭의 높이는 서로 다른 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰
3. 기판의 상면에 제1멤브레인을 형성하고, 제1멤브레인에 음공을 형성하는 단계;
   제1멤브레인의 주변에 절연층을 형성하고, 절연층으로 둘러싸인 공간에 제1희생층을 형성하는 단계;
   제1희생층의 상면에 백플레이트를 형성하는 단계;
   백플레이트의 주변에 절연층을 형성하고, 절연층으로 둘러싸인 공간에 제2희생층을 형성하는 단계;
   제2희생층의 상면에 제2멤브레인을 형성하고, 제2멤브레인에 음공을 형성하는 단계;
   기판의 저면에서 제1멤브레인이 노출되도록 백챔버를 형성하는 단계;
   제1희생층과 제2희생층을 제거하는 단계
   를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법

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