KR101937149B1 - 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 mems 마이크로폰 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
상부 및 하부 전극 간의 단락 불량을 방지하여 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 중앙 부분에 빈 공간을 구비하는 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 고정되며, 음향이 통과하는 관통 홀을 갖는 압전 박막; 상기 지지 기판과 압전 박막 사이에 배치된 하부 전극; 상기 압전 박막 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 압전 박막의 내부에 분산 배치되어, 상기 상부 전극과 하부 전극 간의 단락을 방지하는 비전도성 산화물 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 중앙 부분에 빈 공간을 구비하는 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 고정되며, 음향이 통과하는 관통 홀을 갖는 압전 박막; 상기 지지 기판과 압전 박막 사이에 배치된 하부 전극; 상기 압전 박막 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 압전 박막의 내부에 분산 배치되어, 상기 상부 전극과 하부 전극 간의 단락을 방지하는 비전도성 산화물 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상부 및 하부 전극 간의 단락 불량을 방지하여 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 음성인식 및 노이즈 제거 기술이 보편화 되면서, MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 마이크로폰의 수요가 증가하고 있으며, 고성능의 MEMS 마이크로폰에 대한 시장의 요구에 따라 신호대잡음비(SNR)가 우수한 피에조(Piezoelectric) 방식 MEMS 마이크로폰의 적용이 임박한 상황이다.
피에조 방식의 MEMS 트랜스듀서(센서)는 콘덴서 방식에 비해 단일 진동판(diaphragm)으로 구성된 것을 제외하고는 모든 구조가 동일하지만, 압전 소자를 이용하여 소리에 의한 진동으로 직접적인 전압이 발생된다.
진동판 한 장에서만 노이즈가 발생되므로 콘덴서 방식보다 유리하며, 또한 콘덴서 방식의 MEMS 마이크로폰처럼 저전압을 고전압으로 승압하는 과정 없이 단순 증폭만 하기 때문에 고성능의 신호대잡음비(SNR)를 갖는 마이크로폰을 제작할 수 있다.
최근까지의 압전형 MEMS 마이크로폰으로는 AlN 재료를 적용한 것이 발표되고 있으며, 최대 64dB의 신호대잡음비(SNR) 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 이는 낮은 압전 특성을 가지는 AlN 재료의 한계(d33~6pC/N)로 인한 것으로 판단되며, 이를 극복하기 위하여 Sc(Scandium) 등을 최대 40%까지 도핑하여 압전 특성을 개선하는 연구가 병행되고 있는 것으로 알려지고 있다.
그러나, 이 또한 낮은 압전 특성으로 인해 근본적인 신호대잡음비(SNR) 개선에는 한계가 있어 압전성이 더욱 우수한 압전 박막의 적용이 근본적인 마이크로폰 성능을 개선하는 근본적인 방법이라 할 수 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0015545호(2010.02.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 MEMS 마이크로폰이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 상부 및 하부 전극 간의 단락 불량을 방지하여 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 중앙 부분에 빈 공간을 구비하는 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 고정되며, 음향이 통과하는 관통 홀을 갖는 압전 박막; 상기 지지 기판과 압전 박막 사이에 배치된 하부 전극; 상기 압전 박막 상에 배치된 상부 전극; 및 상기 압전 박막의 내부에 분산 배치되어, 상기 상부 전극과 하부 전극 간의 단락을 방지하는 비전도성 산화물 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법은 (a) 지지 기판 상에 제1 금속 물질을 증착하여 하부 전극층을 형성하는 단계; (b) 상기 하부 전극층 상에 제1 압전 물질을 증착하여 제1 압전층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 압전층 상에 비전도성 산화물 코팅액을 랜덤하게 코팅하고 경화하여 비전도성 산화물 코팅층을 형성하는 단계; (d) 상기 제1 압전층 및 비전도성 산화물 코팅층 상에 제2 압전 물질을 증착하고, 열처리하여 상기 제1 압전층 및 비전도성 산화물 코팅층을 덮는 제2 압전층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 제2 압전층 상에 제2 금속 물질을 증착하여 상부 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법은 압전 박막의 내부에 랜덤하게 분산 배치되는 비전도성 산화물 코팅층이 압전 박막의 내부에 존재하는 다수의 크랙 중간 영역에서 하부 전극 및 상부 전극 간의 전기적인 단락을 방지하는 블로킹층으로 동작하므로, 하부 전극 및 상부 전극 간의 단락 발생을 미연에 방지할 수 있어 구동 신뢰성 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법은 비전도성 산화물을 스핀 코팅으로 코팅하여 압전 박막의 내부에 비전도성 산화물 코팅층이 랜덤하게 분산 배치되는 구조를 가짐에 따라 비전도성 산화물 코팅층에 의해 압전 박막의 내부 응집력을 향상시킬 수 있으므로 우수한 내구성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 단면도.
도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 단면도.
도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰(1)은 중앙 부분에 빈 공간(T)을 구비하는 지지 기판(10)과, 지지 기판(10) 상에 고정되며, 음향이 통과하는 관통 홀(H)을 갖는 압전 박막(20)과, 지지 기판(10)과 압전 박막(20) 사이에 배치된 하부 전극(30)과, 압전 박막(20) 상에 배치된 상부 전극(40)을 포함한다.
이러한 구성을 갖는 MEMS 마이크로폰의 작동 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 음향에 의하여공기가 진동함으로써 음압이 발생하고, 이러한 음압이 지지 기판(10)의 빈 공간(T) 및 관통 홀(H)을 통해 압전 박막(20)으로 전달됨에 따라 압전 박막(20)이 상하 방향으로 진동하게 된다. 이 결과, 압전 박막(20) 한 장에서만 노이즈가 발생되므로 콘덴서 방식보다 유리하며, 또한 콘덴서 방식의 MEMS 마이크로폰처럼 저전압을 고전압으로 승압하는 과정 없이 단순 증폭만 하기 때문에 고성능의 신호대잡음비(SNR)를 갖는 마이크로폰(1)을 제작할 수 있다.
최근에는, 스마트 기기에서 요구되는 높은 내충격 신뢰성을 만족시키기 위해, 대략 1㎛ 정도의 얇은 두께의 압전 박막(20)의 두께보다 두껍게 가져가야 하나, 이로 인해 휨 변형은 대폭 줄어드는 문제가 발생하였다.
따라서, 적은 변형에도 큰 출력이 발생할 수 있도록 수백 pC/N 이상의 압전전하상수(d33)를 가지는 우수한 페로브스카이트계 압전 박막(20)을 적용하는 것은 신뢰성 측면에서 필수적일 수 밖에 없는 상황이다.
이러한 페로브스카이트계 압전 박막(20)은 종래의 AlN 박막과 달리 스퍼터링 방식을 이용하여 지지 기판(10) 상에 증착하고 열처리하여 형성하고 있다.
그러나, 페로브스카이트계 압전 박막(20)은 스퍼터링법으로 증착하고 열처리를 실시하는 것에 의해, 불가피하게 박막의 내부에 다수의 크랙(C)이 존재하게 되며, 이러한 다수의 크랙(C)은 MEMS 마이크로폰(1)의 제작 후 상부 전극(40)과 하부 전극(30) 간이 전기적으로 단락되는 쇼트 불량을 발생시켜 구동 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
이를 개선하기 위해, 본 발명에서는 압전 박막의 내부에 비전도성 산화물 코팅층을 삽입시키는 것을 통하여 상부 및 하부 전극 간의 단락 발생에 의한 MEMS 마이크로폰의 구동 신뢰성이 저하되는 문제를 해결하였다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰을 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰(100)은 지지 기판(110), 압전 박막(120), 하부 전극(130), 상부 전극(140) 및 비전도성 산화물 코팅층(150)을 포함한다.
지지 기판(110)은 중앙 부분에 빈 공간(T)을 구비한다. 이에 따라, 지지 기판(110)은 사각 테 형태를 가질 수 있다. 이러한 지지 기판(110)으로는 실리콘 기판이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 지지 기판(110)의 중앙 부분에 배치되는 빈 공간(T)은 음향 챔버로 사용된다.
압전 박막(120)은 지지 기판(110) 상에 고정되며, 음향이 통과하는 관통 홀(H)을 갖는다. 이에 따라, 압전 박막(120)은 지지 기판(110)의 가장자리에 일단이 고정되는 캔틸레버 형태를 가짐에 따라 상하로 진동하는 진동막으로의 역할을 수행한다.
이때, 압전 박막(120)으로는 적은 변형에도 큰 출력이 발생할 수 있도록 수백 pC/N 이상의 압전전하상수(d33)를 갖는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 압전 박막을 이용하는 것이 신뢰성 측면에서 필수적이다. 다만, 페로브스카이트계 압전 박막(120)은 스퍼터링 증착법을 이용하여 증착한 후 열처리 과정 이후 불가피하게 내부에 다수의 크랙(C)이 존재하게 된다.
하부 전극(130)은 지지 기판(110)과 압전 박막(120) 사이에 배치되고, 상부 전극(140)은 압전 박막(120) 상에 배치된다. 이러한 하부 전극(130) 및 상부 전극(140)은 지지 기판(110)의 가장자리에 각각 배치될 수 있다. 하부 전극(130) 및 상부 전극(140) 각각은 0.1㎛ ~ 1mm의 두께를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 하부 전극(130) 및 상부 전극(140) 각각의 재질로는 메탈 전극으로써, Ti, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Ag-Pb 합금를 포함하는 금속 중 선택된 1종 이상의 재질을 이용하는 것이 바람직하다.
비전도성 산화물 코팅층(150)은 압전 박막(120)의 내부에 분산 배치되어, 하부 전극(130)과 상부 전극(140) 간의 전기적인 단락을 방지하는 역할을 한다. 비전도성 산화물 코팅층(150)의 제조시, 비전도성 산화물은 0.02 ~ 0.1㎛의 평균 직경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 비전도성 산화물의 평균 직경이 0.02㎛ 미만일 경우에는 분산 안정성이 저하될 수 있으며, 내구성 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다.
이러한 비전도성 산화물 코팅층(150)으로는 SiO2, SiNx, 폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 베이클라이트, 네오프렌, 나일론, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 초고분자량 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리사풀루오르에틸렌, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리비닐부틸알, 폴리염화비닐, EPDM(ethylene propylene rubber), PDMS(polydimethylsiloxane), 알킬글리시딜에테르, 다관능성 아크릴수지, 아크릴-우레탄 공중합체, 카르복실계 바인더 및 아미드계 바인더 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 비전도성 산화물 코팅층(150)은 압전 박막(120)의 내부에 랜덤하게 분산 배치된다. 이러한 비전도성 산화물 코팅층(150)은 압전 박막(120)의 내부에 존재하는 다수의 크랙(C) 사이에서 하부 전극(130) 및 상부 전극(140) 간의 단락을 방지하는 블로킹층(blocking layer)으로 사용된다. 이에 따라, 하부 전극(130) 및 상부 전극(140) 간의 단락에 의한 쇼트 불량을 방지할 수 있으므로 MEMS 마이크로폰(100)의 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 비전도성 산화물 코팅층(150)은 압전 박막(120)의 내부의 전체 영역에 랜덤하게 분산 배치되도록 삽입되는 것에 의해 압전 박막(120) 내부의 응집력을 높여 내구성을 향상시키게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 압전 박막(120)의 두께를 대략 10㎛ 이하의 얇은 두께를 갖더라도 우수한 내구성을 갖기 때문에 내충격 신뢰성을 만족할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 압전 박막의 내부에 랜덤하게 분산 배치되는 비전도성 산화물 코팅층이 압전 박막의 내부에 존재하는 다수의 크랙 중간 영역에서 하부 전극 및 상부 전극 간의 전기적인 단락을 방지하는 블로킹층으로 동작하므로, 하부 전극 및 상부 전극 간의 단락 발생을 미연에 방지할 수 있어 구동 신뢰성 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 비전도성 산화물을 스핀 코팅으로 코팅하여 압전 박막의 내부에 비전도성 산화물 코팅층이 랜덤하게 분산 배치되는 구조를 가짐에 따라 비전도성 산화물 코팅층에 의해 압전 박막의 내부 응집력을 향상시킬 수 있으므로 우수한 내구성을 확보할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 지지 기판(110) 상에 제1 금속 물질을 증착하여 하부 전극층(130a)을 형성한다.
지지 기판(110)으로는 실리콘 기판이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하부 전극층(130a)의 재질인 제1 금속 물질로는 전극으로써 Ti, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Ag-Pb 합금을 포함하는 금속 중 선택된 1종 이상의 재질이 이용될 수 있다. 하부 전극층(130a)은 0.1㎛ ~ 1mm의 두께를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 하부 전극층(130a) 상에 제1 압전 물질을 증착하여 제1 압전층(120a)을 형성한다.
이러한 제1 압전층(120a)은 제1 압전 물질을 스퍼터링 방식으로 증착하는 것에 의해 형성된다. 이때, 스퍼터링 증착은 Ar : 02 = 19 : 1 ~ 16 : 4의 비율, 450 ~ 550℃의 증착 온도, 3 ~ 24 mtorr의 증착 압력 및 50 ~ 350W의 RF파워 조건에서 100 ~ 200분 동안 실시하였다. 이 결과, 제1 압전층(120a)은 500nm ~ 1㎛의 증착 두께로 형성되었다. 이때, 제1 압전 물질은 적은 변형에도 큰 출력이 발생할 수 있도록 수백 pC/N 이상의 압전전하상수(d33)를 갖는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 압전 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 압전층(120a) 상에 비전도성 산화물 코팅액을 랜덤하게 코팅하고 경화하여 비전도성 산화물 코팅층(150)을 형성한다.
이때, 비전도성 산화물 코팅액으로는 비전도성 산화물과 용매를 0.5 : 9.5 ~ 1.5 : 8.5의 중량비로 혼합된 것이 이용될 수 있다.
이때, 비전도성 산화물 코팅액은 스핀 코터를 이용한 코팅 방식으로 랜덤하고 지지 기판(110) 전체에 균일하게 분산되도록 1 ~ 3ml씩을 지지 기판(110)의 센터영역에서 적하(droping)시켜 코팅하는 것이 바람직하다. 여기서, 50 ~ 150rpm의 속도로 30 ~ 90sec 동안 1차 코팅을 진행하고 3,000 ~ 7,000rpm의 속도로 100 ~ 500sec 동안 2차 코팅하는 것이 바람직하다.
용매로는 순수(DI), 아세톤(acetone), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), DMF(dimethylformamide), 옥탄올(Octanol) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
비전도성 산화물은 0.02 ~ 0.1㎛의 평균 직경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 비전도성 산화물의 평균 직경이 0.02㎛ 미만일 경우에는 분산 안정성이 저하될 수 있으며, 내구성 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다.
이러한 비전도성 산화물로는 SiO2, SiNx, 폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 베이클라이트, 네오프렌, 나일론, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 초고분자량 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리사풀루오르에틸렌, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리비닐부틸알, 폴리염화비닐, EPDM(ethylene propylene rubber), PDMS(polydimethylsiloxane), 알킬글리시딜에테르, 다관능성 아크릴수지, 아크릴-우레탄 공중합체, 카르복실계 바인더 및 아미드계 바인더 중 선택된 1종 이상의 재질을 이용하는 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 압전층(120a) 및 비전도성 산화물 코팅층(150) 상에 제2 압전 물질을 증착하고, 열처리하여 제1 압전층(120a) 및 비전도성 산화물 코팅층(150)을 덮는 제2 압전층(120b)을 형성한다.
이러한 제2 압전층(120b)은 제2 압전 물질을 스퍼터링 방식으로 증착하는 것에 의해 형성된다. 이때, 스퍼터링 증착은 Ar : 02 = 19 : 1 ~ 16 : 4의 비율, 450 ~ 550℃의 증착 온도, 3 ~ 24mtorr의 증착 압력 및 50 ~ 350W의 RF파워 조건에서 100 ~ 200분 동안 실시하였다. 이 결과, 제2 압전층(120b)은, 제1 압전층(120a)과 마찬가지로, 500nm ~ 1㎛의 증착 두께로 형성되었다.
본 단계에서, 열처리는 5 ~ 50torr의 압력 및 가스 분위기의 열처리 챔버 내에서 500 ~ 600℃ 조건에서 1 ~ 20분 동안 실시하였다. 이러한 열처리에 의해 제1 압전층(120a)과 제2 압전층(120b)이 일체로 결합되어 압전 박막(120)이 형성된다. 이 결과, 압전 박막(120)의 내부에는 비전도성 산화물 코팅층(150)이 삽입 배치되는 구조를 갖게 된다.
특히, 본 발명에서는 페로브스카이트계 압전 박막(120)이 스퍼터링 증착법을 이용하여 증착한 후 열처리 과정 이후 불가피하게 내부에 다수의 크랙(C)이 존재하더라도, 압전 박막(120)의 내부에 랜덤하게 분산 배치된 비전도성 산화물 코팅층(150)이 다수의 크랙(C) 사이에서 후술하는 하부 전극(도 10의 130) 및 상부 전극(도 10의 140) 간의 단락을 방지하는 블로킹층으로 사용될 수 있게 된다. 이에 따라, 하부 전극 및 상부 전극 간의 단락에 의한 쇼트 불량으로 MEMS 마이크로폰의 구동 신뢰성이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 압전 박막(120)의 내부에 삽입된 비전도성 산화물 코팅층(150)이 압전 박막(120)의 내부 응집력을 높여 내구성을 향상시키게 된다. 이에 따라, 압전 박막(120)의 두께를 대략 10㎛ 이하의 얇은 두께로 형성하더라도 내부에 삽입된 비전도성 산화물 코팅층(150)에 의해 우수한 내구성을 갖기 때문에 내충격 신뢰성을 만족할 수 있게 된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 압전층(120b) 상에 제2 금속 물질을 증착하여 상부 전극층(140a)을 형성한다.
상부 전극층(140a)의 재질인 제2 금속 물질로는, 제1 금속 물질과 마찬가지로, 메탈 전극으로써 Ti, Ag, Pt, Pd, Ni 및 Ag-Pb 합금을 포함하는 금속 중 선택된 1종 이상의 재질이 이용될 수 있다. 상부 전극층(140a)은 0.1㎛ ~ 1mm의 두께를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상부 전극층(140a), 하부 전극층(130a), 제1 및 제2 압전층(120a, 120b)을 선택적으로 패터닝하여, 상부 전극(140) 및 하부 전극(130)과, 음향이 통과하는 관통 홀(H)을 갖는 압전 박막(120)을 형성한다.
다음으로, 지지 기판(110)의 중앙 부분을 제거하여, 압전 박막(120)을 노출시킨다. 이에 따라, 지지 기판(110)은 중앙 부분에 빈 공간(T)을 구비하는 사각 테 형태를 가질 수 있다. 이때, 지지 기판(110)의 중앙 부분에 배치되는 빈 공간(T)은 음향 챔버로 사용된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 압전 박막의 내부에 랜덤하게 분산 배치되는 비전도성 산화물 코팅층이 압전 박막의 내부에 존재하는 다수의 크랙 중간 영역에서 하부 전극 및 상부 전극 간의 전기적인 단락을 방지하는 블로킹층으로 동작하므로, 하부 전극 및 상부 전극 간의 단락 발생을 미연에 방지할 수 있어 구동 신뢰성 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰은 비전도성 산화물을 스핀 코팅으로 코팅하여 압전 박막의 내부에 비전도성 산화물 코팅층이 랜덤하게 분산 배치되는 구조를 가짐에 따라 비전도성 산화물 코팅층에 의해 압전 박막의 내부 응집력을 향상시킬 수 있으므로 우수한 내구성을 확보할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : MEMS 마이크로폰 110 : 지지 기판
120 : 압전 박막 130 : 하부 전극
140 : 상부 전극 150 : 비전도성 산화물 코팅층
H : 관통 홀 C : 크랙
T : 빈 공간
120 : 압전 박막 130 : 하부 전극
140 : 상부 전극 150 : 비전도성 산화물 코팅층
H : 관통 홀 C : 크랙
T : 빈 공간
Claims (12)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- (a) 지지 기판 상에 제1 금속 물질을 증착하여 하부 전극층을 형성하는 단계;
(b) 상기 하부 전극층 상에 제1 압전 물질을 증착하여 제1 압전층을 형성하는 단계;
(c) 상기 제1 압전층 상에 비전도성 산화물 코팅액을 랜덤하게 코팅하고 경화하여 비전도성 산화물 코팅층을 형성하는 단계;
(d) 상기 제1 압전층 및 비전도성 산화물 코팅층 상에 제2 압전 물질을 증착하고, 열처리하여 상기 제1 압전층 및 비전도성 산화물 코팅층을 덮는 제2 압전층을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 제2 압전층 상에 제2 금속 물질을 증착하여 상부 전극층을 형성하는 단계;
를 포함하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 비전도성 산화물 코팅액은
비전도성 산화물과 용매를 0.5 : 9.5 ~ 1.5 : 8.5의 중량비로 혼합된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 비전도성 산화물은
SiO2, SiNx, 폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 저밀도폴리에틸렌, 베이클라이트, 네오프렌, 나일론, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 초고분자량 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리사풀루오르에틸렌, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리비닐부틸알, 폴리염화비닐, EPDM(ethylene propylene rubber), PDMS(polydimethylsiloxane), 알킬글리시딜에테르, 다관능성 아크릴수지, 아크릴-우레탄 공중합체, 카르복실계 바인더 및 아미드계 바인더 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 비전도성 산화물은
스핀 코터를 이용한 코팅 방식으로 랜덤하게 분산되도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 압전층은
상기 제1 및 제2 압전 물질을 스퍼터링 방식으로 증착하는 것에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
(f) 상기 상부 전극층, 하부 전극층, 제1 및 제2 압전층을 선택적으로 패터닝하여, 상부 전극 및 하부 전극과, 음향이 통과하는 관통 홀을 갖는 압전 박막을 형성하는 단계; 및
(g) 상기 지지 기판의 중앙 부분을 제거하여, 상기 압전 박막을 노출시키는 단계;
를 더 포함하는 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 MEMS 마이크로폰 제조 방법.
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| KR1020170155167A KR101937149B1 (ko) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 mems 마이크로폰 제조 방법 |
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| KR1020170155167A KR101937149B1 (ko) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 mems 마이크로폰 제조 방법 |
Publications (1)
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| KR1020170155167A KR101937149B1 (ko) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 페로브스카이트계 압전 박막을 이용한 mems 마이크로폰 제조 방법 |
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