KR101955791B1 - 콤 드라이브 mems 장치용 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서 형성 방법이 개시되며, 이 방법은 단결정 실리콘의 층에 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계를 포함하고, 이 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는, 공동부 주위에 지지 부분을 형성하는 단계와, 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살 세트를 형성하는 단계를 포함한다. MEMS 트랜스듀서 형성 방법은 앵커로부터 지지 부분으로 스프링 지지부를 형성하는 단계와, 단결정 실리콘의 층에 제 2 빗살 세트를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제 2 빗살 세트는 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있다(interdigitated).

Description

콤 드라이브 MEMS 장치용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR A COMB-DRIVE MEMS DEVICE}
본 발명은 전반적으로 제조되는 장치에 관한 것이고, 특정 실시예에서 콤 드라이브(comb-drive) MEMS(microelectromechanical systems) 장치용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
트랜스듀서는 한 도메인에서 다른 도메인으로 신호를 변환하는 것으로 종종 센서에서 사용된다. 일상에서 볼 수 있는 센서로 동작하는 하나의 일반적인 트랜스듀서는 마이크로, 이는 음파를 전기 신호로 변환 즉, 트랜스듀스하는 것이다. 일반적인 센서의 다른 예가 온도계이다. 온도 신호를 전기 신호로 트랜스듀스해서 온도계의 기능을 하는 다양한 트랜스듀서가 존재한다.
MEMS 기반 트랜스듀서는 마이크로머시닝 기술을 사용해서 제조되는 센서 및 액츄에이터의 패밀리를 포함한다. MEMS 마이크와 같은 MEMS 센서는, 트랜스듀서 내에서 물리적인 상태의 변화를 측정하고, 트랜스듀스된 신호를 MEMS 센서에 접속된 처리 전자 기기에 전달함으로써 주위 환경으로부터 정보를 수집한다. MEMS 장치는 집적 회로에서 사용되는 것과 유사한 마이크로머시닝 제조 기술을 사용해서 제조될 수 있다.
MEMS 장치는 예컨대, 오실레이터, 공진기, 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서, 마이크 및 마이크로미러로서 기능하도록 설계될 수 있다. 많은 MEMS 장치는 물리적인 현상을 전기적으로 신호로 트랜스듀스하기 위해서 정전 감응식 기술을 사용한다. 이러한 응용예에서, 센서 내의 캐패시턴스의 변화가 인터페이스 회로를 사용해서 전압 신호로 변환된다.
이러한 정전 감응식 장치 중 하나가 MEMS 마이크이다. MEMS 마이크는 일반적으로 고정형 뒤판으로부터 짧은 거리만큼 이격된 휘어짐 가능 멤브레인을 갖고 있다. 멤브레인에 음압파가 입사되는 것에 응답해서, 이는 뒤판 쪽으로 휘어지거나 뒤판에서 멀어지는 쪽으로 휘어져서, 멤브레인과 뒤판 사이의 이격 거리를 변화시킨다. 일반적으로, 멤브레인과 뒤판은 도전성 물질로 이루어지며 캐패시터의 '판'을 형성한다. 따라서, 입사되는 음파에 응답해서 멤브레인과 뒤판 사이의 거리가 변화됨에 따라서, '판' 사이의 캐패시턴스가 변화되어서 전기 신호가 생성된다.
휘어짐 가능한 멤브레인과 고정형 뒤판으로 형성된 이러한 타입의 평행한 판 용량형 구조를 가진 MEMS 마이크는, 평행 판 구조의 결과로서 다양한 성능 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 고정형 뒤판이 음향적인 면에서 투명하게 되도록, 고정형 뒤판에는 종종 공기가 지나가도록 구멍이 뚫려 있다. 그러나, 실제로, 고정형 뒤판은 종종 음향적으로 완전히 투명하지 않아서, 일정량의 음향 노이즈를 생성시킨다. 이 때문에, 예컨대 고정형 뒤판에 포함되는 구멍을 더 작게 하고 그 수를 더 줄임으로써 얻어지는 기계적인 무결성과, 예컨대 고정형 뒤판에 포함되는 구멍을 더 크게 하고 그 수를 더 늘림으로써 얻어지는 음향 노이즈의 감소 사이에서 트레이드오프의 관계가 발생된다.
평행 판 구조의 다른 특성은 '풀-인(pull-in)'이라고 알려진 현상이다. 음향 트랜스듀서로서 동작하기 위해서, 휘어짐 가능한 멤브레인과 고정형 뒤판 사이에 바이어스 전압이 인가된다. 판 사이에 전압이 인가됨으로써, 휘어짐 가능한 멤브레인의 움직임으로 인해서 판 사이의 캐패시턴스가 변화되고, 이는 입사 음향 신호에 대응하는 측정 가능한 전압 신호를 생성한다. 그러나, 바이어스 전압이 인가됨으로 인해서, 휘어짐 가능한 멤브레인과 고정형 뒤판 사이의 이격 거리가 감소됨에 따라서, 정전 흡인력도 증가된다. 정전 흡인력은 통상적으로 휘어짐 가능한 멤브레인 내의 기계적인 스프링의 복원력에 의해서 균형이 맞춰져 있고, 기계적인 스프링의 복원력이 선형적으로만 증가하는데 비해서, 정전 흡인력은 이격 거리가 작아짐에 따라서 비선형적으로 증가된다. 이격 거리의 차이로 인해서, 이격 거리가 특정한 한계에 도달하면 정전 흡인력이 기계적인 스프링 복원력을 넘어서게 되고, 이는 풀인 즉, 휘어짐 가능한 멤브레인이 계속해서 이동해서 고정형 뒤판과 접촉함으로써 충돌하는 현상을 발생시키고, 그 결과 스틱션(stiction)이 일어날 수 있다. 풀인 현상으로 인해서, 다른 트레이드오프 관계, 즉 휘어짐 가능한 멤브레인의 경도를 증가시키거나 바이어스 전압을 낮춤으로써 얻어지는 풀인에 대한 저항과, 휘어짐 가능한 멤브레인의 경도를 감소시키거나 바이어스 전압을 증가시킴으로써 얻어지는 높은 감도 사이의 트레이드오프 관계가 형성된다.
따라서, 성능 특성이 개선된 신규한 MEMS 장치가 요구되고 있다.
일 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은, 단결정 실리콘의 층에 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계를 포함하고, 이 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는, 공동부에 인접해서 지지 부분을 형성하는 단계와, 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살(comb-fingers) 세트를 형성하는 단계를 포함한다. 이 MEMS 트랜스듀서 형성 방법은 또한 앵커(anchor)로부터 지지 부분으로 스프링 지지부를 형성하는 단계와, 단결정 실리콘의 층에 제 2 빗살 세트를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제 2 빗살 세트는 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있다(interdigitated).
본 발명 및 그 이점을 더 완전하게 이해할 수 있도록, 이하에서는 상세한 설명에서 첨부된 도면을 참조한다.
도 1a 및 1b는 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 시스템 블록도 및 사시 단면도,
도 2a 및 2b는 다른 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 사시 단면도 및 평면도,
도 3은 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 형성 방법의 흐름도,
도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f는 제조 방법의 각 단계의 사시 단면도,
도 5는 다른 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 평면도,
도 6은 추가 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 평면도,
도 7a, 7b, 7c는 추가 실시예의 제조 방법의 각 단계의 사시 단면도,
도 8은 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 다른 실시예의 제조 방법의 흐름도를 나타낸다.
상이한 도면에서 대응하는 수치 및 기호는, 별도로 언급되지 않는 한 대응하는 부분을 나타낸다. 도면은 실시예의 관련 측면들을 명확하게 나타내도록 도시되어 있는 것으로, 실제 축적으로 도시되어 있는 것은 아니다.
이하 다양한 실시예의 제조 및 사용에 대해서 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 설명되는 다양한 실시예는 폭넓은 특정 정황에서 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 설명되는 특정 실시예는 다양한 실시예를 제조하고 사용하는 특정한 방식을 단지 예시적으로 나타내는 것으로, 범주를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
이하의 설명은, 특정한 정황, 즉 마이크 트랜스듀서, 상세하게는 MEMS 마이크의 다양한 실시예와 관련해서 이루어진다. 본 명세서에 설명되는 다양한 실시예 중 일부는 MEMS 트랜스듀서 시스템, MEMS 마이크 시스템, 용량성 MEMS 트랜스듀서, 용량성 콤 드라이브 MEMS 트랜스듀서, MEMS 제조 방법 및 SON(silicon-on-nothing) 제조 장법을 포함한다. 다른 실시예에서, 여러 측면들은, 당업자에게 공지된 임의의 방식에 따른 임의의 타입의 센서 혹은 트랜스듀서 및 그 제조 방법을 포함한 다른 응용예도 적용될 수 있다.
MEMS 콤 드라이브는, 고정자라고 하는, 앵커에 고정된 빗살의 제 1 부분과, 회전자라고 하는, 휘어짐 가능한 구조체에 부착된 빗살의 제 2 부분이 엇갈려 끼워져 있는 빗살을 포함한다. 콤 드라이브를 포함하는 MEMS는 많은 이점을 갖고 있다. 예컨대, 평행 판 정전식 MEMS 마이크에 비해서, 실시예의 콤 드라이브 기반 정전식 MEMS 마이크는 구멍이 뚫린 뒤판 전극이 없기 때문에 음향 노이즈가 감소될 수 있다.
다른 실시예에 따라서, MEMS 마이크는 휘어짐 가능한 멤브레인에 연결된 콤 드라이브 구조체를 포함한다. 이 콤 드라이브 구조체는 각 빗살 사이의 이격 거리가 작은 고 종횡비 빗살을 포함할 수 있다. 특히, 실시예의 콤 드라이브 구조체는, 동일한 도전층으로서 형성되고 동일한 패터닝 처리 동안에 패터닝되는 회전자 빗살과 고정자 빗살 모두의 경우에, 도전성 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 특정 실시예에서, 콤 드라이브 구조체를 포함하는 MEMS 마이크는, 회전자 빗살과 고정자 빗살 모두를 단결정 실리콘의 단일층으로부터 생산하는, SON(silicon-on-nothing) 처리를 이용해서 생산된다. 이러한 실시예에서, 고 종횡비의 빗살은 각 빗살 사이의 짧은 이격 거리를 이용해서 생산될 수 있다.
도 1a 및 1b는 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 시스템 블록도 및 사시 단면도이다. 도 1a는 MEMS 트랜스듀서(102), ASIC(application specific integrated circuit)(104) 및 프로세서(106)를 포함한 트랜스듀서 시스템(100)을 나타낸다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(102)는 물리 신호(108)를 수신하고, 트랜스듀스된 신호를 생성하며, 이 트랜스듀스된 신호를 ASIC(104)에 제공한다. 특정 실시예에서, 물리 신호(108)는 음압파(acoustic pressure wave)와 같은 압력 신호이고, MEMS 트랜스듀서(102)는 MEMS 마이크이다. 이 실시예에서, MEMS 마이크와 같은 MEMS 트랜스듀서(102)는 예컨대, 압력 신호와 같은 물리 신호(108)를 ASIC(104)에 제공되는 아날로그 전기 신호로 변환한다. 이하에서는, 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서 및 MEMS 제조 시퀀스를 설명한다.
다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(102)로부터의 아날로그 전기 신호에 기초해서, ASIC(104)은 출력 신호를 생성해서 프로세서(106)에 제공한다. ASIC(104)은 다양한 기능을 수행할 수 있다. 일부 실시예에서, ASIC(104)은 바이어스 신호를 MEMS 트랜스듀서(102)에 제공한다. ASIC(104)는 MEMS 트랜스듀서(102)용 일정 전하 혹은 일정 전압 판독 회로를 구현할 수 있다. 다른 실시예에서, ASIC(104)은 버퍼 회로 혹은 증폭기 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, ASIC(104)은 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 이러한 실시예에서 ASIC(104)은 물리 신호(108)에 대응하는 디지털 신호를 프로세서(106)에 제공한다. 또한, ASIC(104)은 또한 통신 인터페이스를 통해서 프로세서(106)에게 통신하기 위한 I/O 인터페이스 회로를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 트랜스듀서 유닛(110)은 ASIC(104) 및 MEMS 트랜스듀서(102)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 트랜스듀서 유닛(110)은, 물리 신호(108)를 수신하기 위한, 사운드 포트와 같은 패키지 오프닝을 포함하는, 패키지화된 마이크와 같은 패키지화된 장치가 될 수 있다. 트랜스듀서 유닛(110)은 ASIC(104)용의 별도의 반도체 다이와의 공유 회로판 및 이 공유 회로판에 부착된 MEMS 트랜스듀서(102)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, ASIC(104) 및 MEMS 트랜스듀서(102)는 플립-플롭 본딩을 통하는 등의 SoC(system-on-chip)로서 칩 스택에 조립될 수 있다. 또 다른 실시예에서 ASIC(104) 및 MEMS 트랜스듀서(102)는 단일 반도체 다이에 집적될 수 있고, 즉 SoC와 같은 모놀리식 집적될 수 있다.
다양한 실시예에서, 프로세서(106)는 ASIC(104)으로부터 아날로그 혹은 디지털 전기 신호를 수신한다. 프로세서(106)는 오디오 코더/디코더(CODEC)와 같은 전용 오디오 프로세서가 될 수 있다. 다른 실시예에서 프로세서(106)는 다목적 프로세서가 될 수 있다. 이러한 다양한 실시예에서 프로세서(106)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 혹은 FPGA(field programmable gate array)가 될 수 있다. 대안의 실시예에서, 프로세서(106)는 별개의 논리 컴포넌트로 형성된다.
다양한 실시예에서, ASIC(104)는 싱글-엔드형 신호(single-ended signal)와 같은 싱글 신호나 혹은 물리적인 신호(108)를 나타내는 차동(differential) 신호를 프로세서(106)에 제공할 수 있다. 다른 실시예에서 ASIC(104)은 데이터 라인 혹은 클록 라인을 포함한 다양한 통신 프로토콜을 이용해서 프로세서(106)에 신호를 제공할 수 있다. 나아가, 다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(102)는 싱글-엔드형 신호와 같은 싱글 신호나 혹은 물리적인 신호(108)를 나타내는 차동 신호를 프로세서(106)에 제공할 수 있다.
도 1b는 멤브레인(112), 회전자 빗살(114), 고정자 빗살(116) 및 고정자(118)를 포함하는 MEMS 트랜스듀서(102)를 나타내고 있다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(102)는 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)을 포함한 콤 드라이브 트랜스듀서이다. 특정 실시예에서, 본 명세서에 개시된 바와 같이, MEMS 트랜스듀서(102)는 예컨대, 마이크로서 사용되는 것과 같은, 음압파 트랜스듀서와 같은 압력 트랜스듀서이다. 다른 대안의 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(102)는, 예컨대, 가속도계와 같은 콤 드라이브 메커니즘을 사용하는 다른 타입의 트랜스듀서가 될 수 있다.
다양한 실시예에서, 멤브레인(112)은, 멤브레인(112) 위의 제 1 볼륨과 멤브레인(112) 아래의 제 2 볼륨으로 나눈다. 도시된 바와 같이 압력(P)은 멤브레인(112)으로 들어간다. 압력(P)은 음압파가 될 수 있다. 도시된 실시예에서, 압력(P)은 멤브레인(112) 아래에서 들어가며, 이는 멤브레인(112)의 바닥(제 2 볼륨)과의 유체 통신을 제공하도록 배치된 패키지 내의 사운드 포트 혹은 개구부에 대응한다. 다른 실시예에서(도시 생략), 압력(P)은 멤브레인(112) 위에서 들어가며, 이는 멤브레인(112)의 상부(제 1 볼륨)과의 유체 통신을 제공하도록 배치된 패키지 내의 사운드 포트 혹은 개구부에 대응한다. 압력(P)이 변함에 따라서, 멤브레인(112)은 휘어지거나 혹은 진동한다. 멤브레인(112)이 휘어지거나 혹은 진동하면, 중첩 영역에서의 대응하는 변화로 인해서, 회전자 빗살(114)과 고정자 빗살(116) 사이의 캐패시턴스의 변화를 유발한다. 따라서, 압력(P)의 변화에 대응하는 전기 신호가 생성될 수 있다. 예컨대, 압력(P)이 음파를 나타내는 경우에, 회전자 빗살(114)과 고정자 빗살(116) 사이에서, 사운드 신호를 나타내는 전기 신호가 생산될 수 있다. 이러한 실시예에서, 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)은 도 1a의 ASIC(104)를 참조로 상기 설명한 바와 같이, 바이어스 전압으로 바이어싱될 수 있고 판독 회로에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에서, 회전자 빗살(114)은 멤브레인(112)에 부착되고, 이는 앵커(120)에 부착되어 있다. 또한, 고정자 빗살(116)은 고정자(118)에 부착되고, 이는 앵커라고도 할 수 있다. 앵커(120) 및 고정자(118)는 이동을 제공하기 위해서 기판 혹은 다른 단단한 지지 구조체에 고정될 수 있는 반면, 멤브레인(112)이 얇게 휘어짐 가능하게 되도록 형성된다. 다양한 실시예에 따라서, 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)은 이하 설명되는 바와 같이 동일한 도전체 층 혹은 반도체 층으로 형성된다. 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)은 높이 H, 폭 W, 길이, L 및 간격 d로 형성된다. 또한, 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)은 오프셋(H-오프셋)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 회전자 빗살(114)와 고정자 빗살(116) 사이에 오프셋을 포함시킴으로써, 멤브레인(112)의 휘어짐 혹은 진동에 의해 생성된 전기 신호는 선형이 될 수도 있고, 혹은 회전자 빗살(114)과 고정자 빗살(116) 사이에 오프셋이 없는 실시예에 비해서, 더 선형이 될 수도 있다. 대안의 실시예에서, 회전자 빗살(114)과 고정자 빗살(116) 사이에 오프셋이 포함되지 않는다. 이하에서는 다양한 실시예를 참조로 다양한 치수, 물질, 구조를 설명한다.
도 2a 및 2b는, 기판(202), 프레임워크(204), 멤브레인(206), 회전자 빗살(208), 및 고정자 빗살(210)을 포함하는 다른 실시예의 MEMS 트랜스듀서(200)의 사시 단면도 및 평면도를 나타내고 있다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(200)는, 도 1a 및 1b를 참조로 상기 설명한 바와 같은 MEMS 트랜스듀서(102)의 실시예이다. 다양한 실시예에서, 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 높은 종횡비로 형성되고, 작은 내측 빗살 이격 거리 d를 포함한다. 이러한 실시예에서, 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은, 다른 도면을 참조로 이하 설명되는 바와 같이, SON 처리 등을 이용해서 단일 반도체 층 혹은 도전성 물질 층으로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(202)에는 공동부(212)가 형성되고, 이 공동부(212)는 멤브레인(206)에 의해서 멤브레인(206)의 위의 볼륨과 분리된다. 프레임워크(204)는 멤브레인(206)을 지지하고 있으며, 회전자 빗살(208)에 부착되는데, 이는 고정자 빗살(210)과 엇갈려 끼워져 있다. 일부 실시예에서, 고정자 빗살(210)은 고정자 구조를 형성하기 위해서 기판(202)에 부착된다.
다양한 실시예에 따라서, 프레임워크(204)는 지지 고정부(214)를 통해서 비틀림 지지부(216)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 비틀림 지지부(216)는 멤브레인(206) 및 프레임워크(204)가 휘어짐에 따라서 트위스트되고 복원력 및 스프링 상수를 가진 비트림 스프링의 역할을 하도록 구성된다. 스프링 상수 및 복원력은 비틀림 지지부의 길이(tsl) 및 비틀림 지지부의 폭(tsw)에 기초한다. 비틀림 트렌치(218)가 비틀림 지지부(216)에 인접해서 위치되어서, 트렌치(205)와 함께 비틀림 지지부의 길이(tsl) 및 비틀림 지지부의 폭(tsw)을 정의한다. 다른 실시예에서, 프레임워크(204) 및 멤브레인(206)은 캔틸레버 타입의 지지 구조체에 연결되어서 플랩(flap) 멤브레인을 형성한다. 대안의 실시예에서 프레임워크(204) 및 멤브레인(206)은 당업자에게 공지된 임의의 스프링 구조체를 포함한 다수의 스프링 지지부와 같은 다른 지지 구조체에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에서, 접촉 패드(220a, 220b, 220c)가 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)과의 전기적인 접촉을 제공하도록 도전성 물질로 형성된다. 예컨대, 접촉 라인(222)은 접촉 패드(220a)를 고정자 빗살(210) 각각에 전기적으로 연결시킬 수 있다. 접촉 패드(220b, 220c)는 기판(202) 혹은 회전자 빗살(208)에 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 접촉 패드(220b) 혹은 접촉 패드(220c)는 프레임워크(204)에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 프레임워크(204), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 SON 프로세스 등을 이용해서 동일한 반도체 층으로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(202), 프레임워크(204), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210) 각각은 단결정, 즉 단일 결정 실리콘이다. 이러한 실시예에서, 프레임워크(204), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 SON 층에 형성될 수 있다. 예컨대, 프레임워크(204), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 패터닝을 위한 단일 마스크를 이용해서 동시에 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 멤브레인(206)은 예컨대, 폴리실리콘 혹은 질화물과 같은, 얇은 멤브레인을 형성하기에 적절한 물질로 형성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 프레임워크(204), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 높이 H로 주어진 층 두께를 가진 동일한 반도체 기판으로 형성된다. 또한, 비틀림 지지부(216) 및 지지 고정부(214)는 높이 H로 주어진 층 두께를 가질 수 있다. 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은 폭 W, 길이 L, 빗살간 이격 거리 d를 갖는다. 다양한 실시예에서, 폭 W의 범위는 10 nm 내지 5 ㎛이다. 특정 실시에에서, 폭 W의 범위는 10 nm 내지 1 ㎛이다. 다양한 실시예에서, 길이 L의 범위는 0.5 nm 내지 50 ㎛이다. 특정 실시에에서, 길이 L의 범위는 2 ㎛ 내지 20 ㎛이다. 다양한 실시예에서, 높이 H의 범위는 1 ㎛ 내지 500 ㎛이다. 특정 실시예에서, 높이 H의 범위는 2 ㎛ 내지 30 ㎛이다. 다양한 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d의 범위는 10 nm 내지 1 ㎛이다. 특정 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d의 범위는 50 nm 내지 500 nm이다. 또 다른 특정 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d의 범위는 100 nm 내지 300 nm이다. 대안의 실시예에서 높이 H, 폭 W, 길이 L, 빗살간 이격 거리 d는 특정 범위 밖이 될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)을 SON 층 등에 형성함으로써, 빗살간 이격 거리 d 및 높이 H와 관련해서 매우 높은 종횡비가 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d 대 높이 H의 종횡비의 범위는, 1:10 내지 1:100이다. 특정 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d 대 높이 H의 종횡비의 범위는 1:30 이상이다. 특정 실시예에서, 빗살간 이격 거리 d 대 높이 H의 종횡비의 범위는 1:50 이상이고, 1:70까지도 될 수 있으며, 혹은 대략 1:70이 될 수도 있다. 이러한 특정 실시예에서 빗살간 이격 거리 d는 약 140 nm이 될 수 있고, 높이 H는 약 10 ㎛이다.
추가 설명에 의해서, 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)을 SON층 등에 형성함으로써, 빗살간 이격 거리 d는 500 nm 미만과 같이, 작을 수 있다. 이러한 실시예에서, 회전자 빗살(208)과 고정자 빗살(210) 사이의 갭을 지나는, 따라서 멤브레인(206) 주위의 공기 흐름이 감소될 수 있다. 따라서, MEMS 트랜스듀서(200)가 예컨대, MEMS 마이크로서 구현되는 경우에, 회전자 빗살(208)과 고정자 빗살(210) 사이의 갭을 통해서 멤브레인(206)을 우회할 수 있는 공기 흐름을 감소시킴으로써, 감도가 증가될 수 있다.
트렌치 폭(tw)으로 인해서 프레임워크(204)와 기판(202) 사이에 간격이 형성된다. 다양한 실시예에서, 트렌치 폭(tw)의 범위는 100 nm 내지 10 ㎛이다. 특정 실시예에서, 트렌치 폭(tw)의 범위는 500 nm 내지 5 ㎛이다.
다양한 실시예에서, 지지 고정부(214) 및 비틀림 지지부(216)는 MEMS 트랜스듀서(200)에 대한 응력 해제(stress decoupling) 기능을 제공한다. 예컨대, 기판(202)은 패키징 등의 동안에 층 응력이 발생할 수 있다. 이러한 실시예에서, 지지 고정부(214) 및 비틀림 지지부(216)를 통해서 프레임워크(204)를 기판(202)에 연결시키면 기판(202)으로부터 프레임워크(204)로 전달되는 층 응력을 감소시킨다. 이와 같은 응력 전달이 더 감소되는 다른 실시예에 대해서 이하 도 6을 참조로 설명한다.
MEMS 트랜스듀서(200)의 제조 처리 단계 및 물질과 관련된 여러가지 세부 사항에 대해서, 도 3에 도시된 실시예의 제조 방법의 흐름도 및 대응하는 사시 단면도를 참조해서 설명한다.
도 3은, 도 2a 및 2b에 도시된 MEMS 트랜스듀서(200)를 참조로 상기 설명한 바와 같은 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 예시적인 제조 방법(300)의 흐름도이다. 도 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f는 제조 방법(300)의 각 단계의 사시 단면도이다. 다양한 실시예에 따라서, 제조 방법(300)은 단계(305~360)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 단계 305에서는 SON 구조체 및 산화물 라이너를 형성한다. 단계 305의 중간 구조체가 도 4a에 도시되어 있고, 이는 SON 구조체로서 기판(202) 내에 공동부(230) 및 산화물 라이너(232)를 포함하고, 여기서 공동부(230) 위의 기판(202)의 상부층은 SON 층(201)이라고 한다.
다양한 실시예에서, 기판(202)은 반도체 기판이다. 기판(202)은 일부 실시예에서 도전성을 향상시키도록 도핑될 수 있다. 특정 실시예에서, 기판(202)은 실리콘이다. 상세하게, 기판(202)은 단결정 실리콘이다. 대안의 실시예에서, 기판(202)은 게르마늄이다. 또 다른 대안의 실시예에서, 기판(202)은 탄소이다. 또 다른 대안의 실시예에서, 기판(202)은 갈륨 비소, 탄화 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인화 인듐 혹은 질화 갈륨과 같은 화합물 반도체이다. 또 다른 대안의 실시예에서, 기판(202)은 당업자라에게 공지된 다른 반도체 기판 물질 혹은 도전성 기판 물질이 될 수도 있다. 특정 대안의 실시예에서, 기판은 유리 혹은 세라믹과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다. 기판은 웨이퍼가 될 수 있다.
기판(202)이 단결정 실리콘인 다양한 실시예에 따라서, SON 구조체는 기판(202) 내의 트렌치의 에칭 및 실리콘 리플로우를 포함함 처리에 의해서 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 공동부(230)의 소망의 형상과 매칭되는 패턴에 따라서, 트렌치가 기판(202)에 에칭된다. 예컨대, 트렌치는 기판(202)에 직사각형 패턴, 원 패턴, 혹은 타원 패턴으로 에칭될 수 있다. 기판(202) 내에 트렌치를 에칭하기 위해서, 반응성 이온 에칭(RIE) 처리가 사용될 수 있다. RIE 처리의 경우에, 기판(202)의 상면 위에 에칭 마스크가 소망의 트렌치 패턴으로 형성될 수 있다. 예컨대, 에칭 마스크는 예컨대, 실리콘 이산화물과 같은 포토레지스트 물질의 산화물 층, 혹은 에칭 마스트로서 패터닝된 질화물 층이 될 수 있다.
다양한 실시예에서, 트렌치가 기판(202)에 일단 에칭되면, 기판(202)의 실리콘을 리플로우하도록 어닐링 처리가 수행될 수 있다. 예컨대, 어닐링 처리는 고온의 수소 환경과 같은 저산소 환경에서 수행될 수 있다. 특정 실시예에서, 어닐링 처리는 1000℃에서 약 10분 동안 수행될 수 있다. 어닐링 처리 동안, 각 트렌치의 기저부가 연장되고, 각 트렌치의 상부가 충돌하면서, 트렌치 사이의 실리콘 기둥 즉 필러(pillar)가 리플로우될 것이다. 트렌치가 충분히 가깝게 이격되면, 트렌치의 연장되는 기저부는 합쳐져서 공동부(230)를 형성하고, 트렌치의 충돌하는 상부는 합쳐져서 SON 층(201)을 형성한다. 이러한 실시예에서, SON 층(201)은 단결정 실리콘이다. 다양한 실시예에서, 기판(202)에 형성된 트렌치의 간격은 압력, 온도, 타이밍, 및 가스 조성과 함께 어닐링 처리 동안에, SON 층(201)의 두께 및 치수가 다른 공동부(230)의 다른 형상을 형성하도록 조정될 수 있으며, 이는 당업자에 의해서 용이하게 이해될 것이다.
다양한 실시예에서, 산화물 라이너(232)는 또한 공동부(230)에 형성된다. 이러한 실시예에서, 기판(202)이 단결정 실리콘이면, 산화물 라이너(232)는 이산화 실리콘과 같은, 산화 실리콘이다. 산화물 라이너(232)를 형성하기 위해서, SON 층(201)에는 작은 개구부가 형성될 수 있다. 예컨대, SON 층(201)에는, 공동부(230)를 열 산화 처리와 같은 산화 처리에 노출하도록 콘 제거되거나(corned removed) 혹은 작은 홀이 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 기판(202)이 단결정 실리콘이 아닌 경우에 SON 층(201)을 참조로 상기 설명한 것과 유사하게 SON 층을 형성하도록 유사한 처리 단계가 구현될 수 있다. 이러한 실시예에 따라서, 기판(202)에 대해 사용되는 물질의 상이한 물질 비율에 기인해서 다양한 수정예가 적용될 수 있다는 것을 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. SON 장치에 관한 추가적인 세부 사항은 2012년 10월 9일에 출원된 미국 특허 제 9,136,328 호 "Silicon on Nothing Devices and Methods of Formation Thereof"에 개시되어 있으며, 그 전체 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
단계 305에 후속해서, 단계 310에서는, SON 층(201) 내에는 상면으로부터 산화물 라이너(232)쪽으로 트렌치(234) 및 트렌치(238)를 에칭한다. 트렌치(234) 및 트렌치(238)는 습식 에칭 화학물 혹은 건식 에칭 화학물을 적용함으로써 에칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 트렌치(234) 및 트렌치(238)는 RIE 처리를 이용해서 에칭된다. 이러한 실시예에서, SON 층(201)의 상면에 에칭 마스크가 형성된다. 에칭 마스크는 질화물 혹은 산화물 하드 마스크가 될 수 있으며, 이는 포토레지스트를 증착하는 것, 포토레지스트를 마스크 패턴에 노출시키는 것, 포토레지스트를 현상하는 것 및 에칭 마스크를 에칭하는 것을 포함한 포토리소그래픽 기술을 이용해서 패터닝함으로써 마련된다. 트렌치(234) 및 트렌치(238)를 노출시키기 위해서 에칭 마스크가 일단 마련되면, 트렌치(234) 및 트렌치(238)를 에칭하도록 RIE 처리가 수행된다.
도 2a 및 2b 내의 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)과 관련해서 상기 설명한 바와 같이, 콤 드라이브 내에 엇갈려 끼워진 빗살의 세트 모두를 형성하기 위해서 트렌치(234) 및 트렌치(238)가 스태거링될 수 있다. 다른 실시예에서, RIE 처리의 에칭 마스크는 포토레지스트가 될 수 있다. 대안의 실시예에서, 트렌치(234) 및 트렌치(238)는 포토레지스트 마스크를 이용하는 습식 화학 에천트를 사용해서 에칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 트렌치(234) 및 트렌치(238)는 큰 혹은 매우 큰 종횡비로 에칭될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 310에 후속해서 단계 315가 행해지며 여기서 트렌치 충진재(236)를 형성한다. 단계 315의 중간 구조가 도 4b에 도시되어 있고, 여기서 트렌치(234) 및 트렌치(238) 내에 트렌치 충진재(236)가 형성된다. 트렌치 충진재(236)는 산화물, 질화물 및/또는 질산화물을 포함할 수 있다. 예컨대, 트렌치 충진재(236)는 예컨대, 이산화 실리콘이나 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 산화물과 같은 산화 실리콘이 될 수 있다. 다른 방안으로, 트렌치 충진재(236)는 질화 실리콘이 될 수 있다. 트렌치 충진재(236)는 증착 혹은 성장될 수 있다. 일부 실시예에서, 트렌치 충진재(236)는 CVD(chemical vapor deposition) 처리, PVD(physical vapor deposition) 처리, ALD(atomic layer deposition) 처리, 혹은 기판의 습식이나 건식 산화를 적용함으로써 증착될 수 있다. 특정 실시예에서, 트렌치 충진재(236)는 CVD를 이용해서 증착될 수 있다.
다양한 실시예에서 단계 320에서는 기판(202)의 상면을 평탄화한다. 일부 실시예에서, 평탄화는 CMP(chemical mechanical polish)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 단계 320는 생략될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 325에서는 에칭 차단층을 형성한다. 이러한 실시예에서, 에칭 차단층은 산화물 층 혹은 질화물 층을 포함할 수 있다. 에칭 차단층은 기판(202)의 상면에 증착될 수 있다. 단계 325에 이어서, 단계 330에서 기판(202)의 상면에 멤브레인 층(240)이 형성된다. 단계 330의 중간 구조가 도 4c에 도시되어 있으며, 이는 기판(202)의 표면을 덮는 멤브레인 층(240)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 단계 325의 에칭 차단층(도시 생략)은 멤브레인 층(240)의 아래에 위치할 수 있다. 다양한 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 도전성 물질이 될 수도 있고 혹은 비도전성 물질이 될 수도 있다.
멤브레인 층(240)이 도전성 물질인 실시예에서, 도전성 물질은 금속 물질이 될 수 있다. 금속 물질은 순금속, 합금 혹은 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 물질은 예컨대, 알루미늄, 구리, Ni 및 Si으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 순 알루미늄, 알루미늄 합금, 알루미늄 화합물, 순 구리, 구리 합금, 구리 화합물, 순 니켈, 니켈 합금, 니켈 화합물을 포함한다. 일 특정 실시예에서, 도전성 물질은 실리콘 및 구리가 포함된 알루미늄 합금이다. 다른 실시예에서, 도전성 물질은 도전성 폴리머를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 도전성 물질은 도핑된 실리콘과 같은 도핑된 반도체를 포함한다. 도핑된 실리콘은 도핑된 폴리실리콘 및/또는 도핑된 단결정 실리콘을 포함할 수 있다. 도핑된 실리콘은 인시츄 도핑될 수 있다. 다른 실시예에서, 멤브레인 층은 도핑되지 않은 폴리실리콘이다.
다른 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 산화물, 질화물 혹은 질산화물과 같은 비도전성 물질이다. 멤브레인 층(240)은 도전성 물질과 비도전성 물질을 포함한 적층부가 될 수 있다. 이러한 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 질화 실리콘, 폴리실리콘 및 질화 실리콘의 적층부를 포함한다. 다른 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 비도전성 폴리머이다.
다양한 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 스퍼터링, PVD, CVD 혹은 ALD과 같은 다양한 방식으로 증착될 수 있다. 멤브레인 층(240)은 단일 단계로 증착될 수 있다. 도전성 물질이 금속 물질을 포함하는 경우에, 도전성 물질은 갈바닉 증착에 의해서 증착될 수도 있다. 도전성 물질은 단계 325의 기판(202) 및 에칭 차단층 상에 직접 증착될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 335에서는, 프레임워크 공동부(242)를 형성하며, 이는 도 2a 및 2b를 참조로 상기 설명한 바와 같은 MEMS 트랜스듀서(200) 내의 공동부(212)의 일부이다. 단계 335의 중간 구조가 도 4c에 도시되어 있으며, 이는 멤브레인 층(240)의 아래에 형성된 프레임워크 공동부(242)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 트렌치(238) 내의 SON 층(201)의 단결정 실리콘과 같은 물질이 제거된다. 예컨대, 프레임워크 공동부(242)는 에칭에 의해 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 단계 325의 멤브레인 층(240) 및 에칭 차탄층에는, 멤브레인 층(240) 아래, 공동부(230) 위에 및 트렌치(238)에 의해 둘러싸인 물질을 노출시키기 위해서 작은 홀 혹은 개구부가 형성될 수 있다(이는 트렌치 충진재(236)으로 충진된다). 이 물질은 홀 혹은 개구부를 통해서 에칭에 의해서 제거된다. 예컨대, 습식 화학 에칭이 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, SON 층(201)이 단결정 실리콘인 경우에, 실리콘에 대해서 습식 화학 에칭이 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 멤브레인 층(240)은, 에칭을 방지하기 위해서 포토레지스트 혹은 다른 물질로 덮여질 수 있다. 프레임워크 공동부를 형성하기 위한 에칭은 SON 층(201)의 모든 물질을 제거하기 위해서 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)가 노출될 때까지 진행될 것이다. 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)는 에칭 처리에 대한 내성이 있을 수 있으며, 따라서 에칭 처리층으로서 동작할 수 있다.
다양한 실시예에서, 단계 335에 이어서, 단계 340에서는 도 2a 및 2b를 참조로 상기 설명한 바와 같은 멤브레인(206)을 형성하기 위해서 멤브레인 층(240)을 패터닝한다. 단계 340의 중간 구조가 도 4d에 도시되어 있고, 이는 프레임워크 공동부(242)를 덮도록 패터닝된 멤브레인 층(240)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 멤브레인 층(240)을 패터닝하는 것은, 포토레지스트를 도포하는 것, 마스크 패턴을 사용해서 포토레지스트를 현상하는 것, 및 노출된 영역에서 멤브레인 층(240)을 에칭하는 것을 포함할 수 있다. 멤브레인 층(240)을 에칭하는 것은, 습식 화학 에칭 혹은 건식 화학 에칭을 포함할 수 있다. 멤브레인 층(240)은 프레임워크 공동부(242)의 위를 제외하고 기판(202)의 전체 표면에 에칭될 수 있다. 단계 325의 에칭 차단층(도시 생략)은 멤브레인 층(240)의 에칭에 대한 에칭 차단의 역할을 할 수 있고, 기판(202)(트렌치(234)에 의해 형성된 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)의 구조를 포함함) 및 트렌치 충진재(236)가 에칭되는 것을 방지할 수 있다.
다양한 실시예에서, 멤브레인 층(240)은 습식 에칭 화학물 혹은 건식 에칭 화학물을 적용함으로써 제거될 수 있다. 예컨대, 멤브레인 층(240)이 예컨대, 폴리실리콘과 같은 반도체나 도핑된 폴리실리콘과 같은 도핑된 반도체를 포함하는 경우에, 멤브레인 층(240)은 KOH나 혹은 HNO3 및 HF와 같은 산용액으로 에칭될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 멤브레인 층(240)을 제거하는데 SF6 혹은 Cl2에 의해 전달되는 염소나 불소를 이용하는 플라즈마 처리가 사용될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 345에서는 접촉층을 형성한다. 이 접촉층은 접촉 라인 및 접촉 패드를 형성하기 위한 도전성 층이다. 이러한 실시예에서, 접촉층을 형성하는 것은 스퍼터링, PVD, CVD, ALD 혹은 갈바닉 증착에 의해 접촉층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 접촉층은 알루미늄, 니켈, 구리, 금, 백금 및 티타늄으로 이루어진 그룹의 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다.
단계 350에서는 접촉층을 패터닝해서 접촉 패드(220a, 220b, 220c) 및 접촉 라인(222)을 형성한다. 단계 350의 중간 구조가 도 4e에 도시되어 있으며, 이는 기판(202) 상에 형성된 접촉 패드(220a, 220b, 220c) 및 접촉 라인(222)을 포함한다. 접촉 층은 포토레지스트를 도포하고, 이 포토레지스트를 마스크 패턴을 이용하면서 현상하며, 노출된 영역에서 접촉층을 에칭함으로써 패터닝될 수 있다. 다양한 실시예에서 접촉층은 습식 에칭 및 건식 에칭 화학물을 도포함으로써 제거될 수 있다. 예컨대, 접촉층은 KOH나 혹은 HNO3 및 HF와 같은 산용액으로 에칭될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접촉층 물질을 제거하는데 SF6 혹은 Cl2에 의해 전달되는 염소나 불소를 이용하는 플라즈마 처리가 사용될 수 있다.
대안의 실시예에서, 접촉 패드(220a, 220b, 220c)는 실리사이드를 이용해서 형성될 수 있다. 실리사이드되는 접촉 패드는 도전성 물질 상의 금속 물질을 형성함으로써 형성될 수 있다. 금속 물질은 Ni, Co, Ti로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 도전성 물질 및 금속 물질은 실리사이드를 형성하도록 어닐링될 수 있다. 일부 실시예에서, 접촉 패드(220a, 220b, 220c)는 부동태화된다(passivated).
단계 350에 이어서, 단계 355에서는, 기판(202)을 이면 즉 후면으로부터 에칭한다. 이러한 실시예에서, 기판(202)은 양방향 에칭으로 에칭된다. 예컨대, 기판은 Bosch 공정 에칭을 이용해서 에칭된다. 이 이면 에칭이 적용됨으로써, 기판은 단계 305에서 형성된 공동부(230) 아래에서 제거된다. 특정 실시예에서, 이면 에칭은 산화물 라이너(232)에 의해 차단된다. 이러한 실시예에서 SON 층(201)(회전자 빗살(208)과 고정자 빗살(210)이 엇갈려 끼워진 빗살 및 프레임워크(204)를 포함함) 내의 공동부(230) 상의 구조는 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)에 의해 보호되고, 그대로 에칭되지 않고 유지된다.
대안의 실시예에서, 기판(202)의 이면은 예컨대, KOH를 포함한 습식 에칭으로 에칭된다. 또 다른 실시예에서, 기판(202)의 이면은, 건식 에칭과, 이에 후속하는 예컨대, 산화물 라이너(232)의 에칭률에 비해서 더 높은 실리콘 선택도와 같은, 더 높은 선택도의 기판(202)을 이용하는 습식 에칭의 조합으로 에칭된다. 일부 실시예에서, 도 7a, 7b, 7c를 참조로 이하에 설명되는 바와 같이 단계 355는 생략될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 360에서는, 해제 에칭(release etch)을 이용해서 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)를 제거한다. 이러한 실시예에서, 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)는 습식 에칭 혹은 건식 에칭을 이용해서 제거된다. 예컨대, 산화물 라이너(232) 및 트렌치 충진재(236)는 HF 기반의 용액 혹은 증기를 적용해서 에칭된다. 단계 360 이후에, MEMS 트랜스듀서(200)는 해제되고, 멤브레인(206)은 프레임워크(204) 및 회전자 빗살(208)과 함께 이동이 자유롭게 된다. 단계 360의 최종 구조가 도 4f에 도시되어 있는데, 이 도 4f는 도 2a와 중복되는 것으로, 프레임워크(204), 멤브레인(206), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)을 포함한다. 또한, 해제 에칭에 이어서, 프레임워크(204)는 멤브레인(206)과 함께 고정자 빗살(210)에 대해서, 일정 위치에서 오프셋을 갖고 휘어질 수 있다. 다양한 실시예에서 단계 360에서는 또한, 프레임워크 공동부(242)를, 단계 355의 이면 에칭 동안에 기판(202)에 형성된 공동부와 결합시킴으로써, 멤브레인(206) 아래에 공동부(212), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)을 형성한다.
도 3, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f를 참조로 상기 설명한 바와 같은 다양한 실시예에 따라서, 회전자 빗살(208), 고정자 빗살(210) 및 프레임워크(204)는 동일한 반도체 층 혹은 도전성 층 즉, 특정 실시예에서의 단결정 실리콘과 같은 SON 층(201)에 형성된다.
도 5는, 기판(202), 프레임워크(204), 멤브레인(206), 회전자 빗살(208), 고정자 빗살(210) 및 응력층(252)을 포함한, 다른 실시예의 MEMS 트랜스듀서(250)의 평면도이다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(250)는, 응력층(252)을 제외하면 도 2a 및 2b를 참조로 상기 설명한 MEMS 트랜스듀서(200)와 유사하다. MEMS 트랜스듀서(200)를 참조로 상기 설명한 것과 동일한 참조 번호의 구성 요소에 대해서는 간략하게 하기 위해서 반복 설명을 생략한다.
다양한 실시예에서, 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)은, 도 1b의 회전자 빗살(114) 및 고정자 빗살(116)을 참조로 상기 설명한 바와 같이 오프셋(H-오프셋)만큼 오프셋될 수 있다. 이러한 실시예에서, 응력층(252)은 오프셋(H-오프셋)을 형성하기 위해서 포함될 수 있다. 비틀림 트렌치(218)를 가로질러서 응력층(252)을 형성함으로써, 프레임워크(204) 및 회전자 빗살(208)의 제자리 휘어짐(at-rest deflection)을 발생시켜서 오프셋(H-오프셋)을 형성하기 위해서, 비틀림 지지부(216)에 대해 응력을 형성할 수 있다. 응력층(252)은 단계 360의 해제 에칭 이전과 같은, 제조 방법(300)의 여러 단계에서 형성되고 패터닝될 수 있다. 단계 360의 해제 에칭이 일단 수행되면, 응력층(252)의 층 응력으로 인해서 비틀림 지지부(216)에 대한 힘이 발생되고, 이로써 휘어짐을 발생시켜서 오프셋(H-오프셋)을 형성한다.
다양한 실시예에 따라서, 도 3의 단계 315 혹은 단계 330을 참조로 상기 설명한 처리 기술을 이용해서 응력층(252)이 증착될 수 있다. 응력층(252)은 예컨대, 인장 응력 혹은 압축 응력으로 증착되는 물질을 포함한다. 다양한 실시예에서, 응력층(252)은 높은 응력 물질이다. 특정 실시예에서, 응력층(252)은 질화 실리콘이다. 다른 특정 실시예에서, 응력층(252)은 질산화 실리콘이다. 다른 실시예에서, 응력층(252)은 낮은 응력 물질이다. 특정 실시예에서 응력층(252)은 TEOS이다. 또 다른 특정 실시예에서, 응력층(252)은 예컨대, 인 주입과 같은 도펀트에 따라 변화되는 압축 응력을 가진 실리콘이다. 다양한 실시예에서, 다른 실시예의 MEMS 트랜스듀서에서는 응력층(252)은 다양한 상이한 형상 및 치수를 가질 수 있고, 다른 위치에 배치될 수 있다.
도 6은, 기판(202), 프레임워크(204), 멤브레인(206), 회전자 빗살(208), 고정자 빗살(210), 응력층(252) 및 응력 해제 트렌치(254)를 포함하는, 추가적인 실시예의 MEMS 트랜스듀서(251)의 평면도이다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(251)는, 응력 해제 트렌치(254)를 제외하면 도 2a, 2b, 5를 참조로 상기 설명한 MEMS 트랜스듀서(200) 혹은 MEMS 트랜스듀서(250)와 유사하다. MEMS 트랜스듀서(200) 및 MEMS 트랜스듀서(250)를 참조로 상기 설명한 것과 동일한 참조 번호의 구성 요소에 대해서는 간략하게 하기 위해서 반복 설명을 생략한다. 일부 실시예에서, 응력층(252)은 생략될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, 응력 해제 트렌치(254)는, 도 3, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f를 참조로 상기 설명한 방법(300)에서의 단계 310 동안의 트렌치(205) 및 비틀림 트렌치(218)와 동일한 에칭 처리에서, 형성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 응력 해제 트렌치(254)는 프레임워크(204), 멤브레인(206) 및 회전자 빗살(208)을 기판(202)의 응력으로부터 해제한다. 예컨대, MEMS 트랜스듀서(251)와 같은 MEMS 멤브레인의 패키징 동안, 기판(202)은 응력을 받을 수 있다. 이러한 실시예에서, 응력 해제 트렌치(254)를 포함시킴으로써, 트렌치(205) 내부의 휘어짐 가능한 멤브레인 구조에 기판(202)의 응력은 전달되지 않는다. 다양한 실시예에서, 응력 해제 트렌치(254)의 치수 및 구성은, 기판(202)으로의 다수의 접속부를 포함하거나 혹은 하나의 더 작은 접속부를 포함하는 것과 같은 여러가지 실시예의 구성을 갖도록 수정될 수도 있다. 예컨대, 중앙 트랜스듀서 영역(비틀림 지지부(216)를 통해서 주위의 지지 구조체에 연결된 프레임워크(204), 멤브레인(206) 및 회전자 빗살(208)를 포함함)과 기판(202) 사이에, 카아던 형상(cardanic-like) 짐벌 지지부를 이용하는 등의 다양한 접속 구조체가 구현될 수 있다.
도 7a, 7b, 7c는 추가의 실시예의 제조 방법의 추가의 실시예의 MEMS 트랜스듀서(260)의 사시 단면도이다. 상세하게, 도 7a의 MEMS 트랜스듀서(260a), 도 7b의 MEMS 트랜스듀서(260b) 및 도 7c의 MEMS 트랜스듀서(260c)는 제조 순서의 각 단계의 MEMS 트랜스듀서(260)를 나타낸다. 다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(260)는 도 2a 및 2b를 참조로 상기 설명한 MEMS 트랜스듀서(200)와 유사하다. MEMS 트랜스듀서(200)를 참조로 상기 설명한 것과 동일한 참조 번호의 구성 요소에 대해서는 간략하게 하기 위해서 반복 설명을 생략한다. 특정 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(260)는 도 3, 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f를 참조로 상기 설명한 MEMS 트랜스듀서(200)의 제조 방법과 유사한 방법을 사용해서 형성된다. 이러한 실시예에서, 제조 방법(300)은 MEMS 트랜스듀서(260)에 대해서는 이하 설명되는 바와 같이 변경될 수 있다.
다양한 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서(260a)는 공동부(231)를 포함하며, 이는 도 3 및 4a의 공동부(230)를 참조로 상기 설명된 바와 유사하게 형성될 수 있지만, 도 7a에 도시된 바와 같이 더 연장될 수 있다. 따라서, 단계 305는 공동부(231)와 같은 연장 공동부를 형성하도록 수정될 수 있다. 또한, 공동부(231) 내에는 지지 필러(262)가 형성될 수 있다. 지지 필러(262)는 다양한 실시예에서 작은 실리콘 필러가 될 수 있다. 다른 방안으로, 지지 필러(262)는 다른 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 3의 제조 방법(300)을 참조로 상기 설명한 바와 같이 공동부(230)가 포함되고, 공동부(230)(도시 생략)에 공동부(231)가 추가된다. 이러한 실시예에서, 공동부(230)는 공동부(242)의 바닥 모서리를 설정함으로써 프레임워크(204)의 높이 및 구조를 규정할 수 있고, 반면 공동부(231)는 별도로 내부 기판(203)의 바닥 모서리를 규정한다. 이러한 실시예에서, 도 3의 단계 305를 참조로 상기 설명한 바와 같이 SON 층 등을 형성하는 두 단계를 수행해서, 2개의 SON 층 등을 형성할 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(260)는, 단계 355의 이면 에칭은 포함하지 않은 제조 방법(300)에 따라서 형성될 수 있다. 이러한 다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(260b)는 트랜스듀서 구조 전체를 둘러싸고 있는 외측 트렌치(264)를 포함한다. 외측 트렌치(264)는 도 3을 참조로 상기 설명한 바와 같은 단계 310 동안에 형성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 외측 트렌치(264)는 도 3을 참조로 상기 설명한 바와 같은 트렌치 충진재(236)로 충진될 수도 있다. 다른 실시예에서, 외측 트렌치(264)는 제조 방법(300) 동안 다른 포인트에서 형성될 수도 있다. 다양한 실시예에서, 외측 트렌치(264)는 공동부(231)와 함께, 기판(202)을 내부 구조체(203)로부터 분리시킨다. 내부 구조체(203)는 트랜스듀서 구조체 전체(프레임워크(204), 멤브레인(206), 회전자 빗살(208) 및 고정자 빗살(210)을 포함함)를 포함한다. 따라서, 단계 360(도 3)의 해제 에칭 동안에, 외측 트렌치(264)는 내부 구조체(203)가 기판(202)으로부터 이격 혹은 분리되도록 해제될 수 있다. 이러한 실시예에서, 지지 필러(262)는 내부 구조체(203)를 기판(202)에 접속시키는 유일한 요소이다.
다양한 실시예에서, 내부 구조체(203)를 기판(202)으로부터 제거하는 들어올림(lift-off) 단계가 수행될 수 있다. 이러한 실시예에서, 기판(202)은 벌크 실리콘 웨이퍼와 같은 웨이퍼가 될 수 있고, 도 7c에 도시된 MEMS 트랜스듀서(260c)와 같은 내부 구조체(203)는 들어올림 단계에 의해서 웨이퍼로부터 제거될 수 있다. 이러한 실시예에서, 지지 필러(262)는 들어올림 단계 동안 절단될 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서(260c)에 대응하는 내부 구조체(203)의 칩 높이(HC)는 작을 수 있다. 특정 실시예에서, 칩 높이(HC)는 500 ㎛ 이하이다. 일부 특정 실시예에서, 칩 높이(HC)는 300 ㎛ 이하이다. 다른 특정 실시예에서, 칩 높이(HC)는 200 ㎛ 이하이다. 더 특정한 실시예에서, 칩 높이(HC)는 100 ㎛ 이하이다. 일부 실시예에서, 예컨대, 최종 패키지 및 제품 두께를 감소시키기 위해서는, MEMS 트랜스듀서(260)의 일 실시예의 들어올림 단계에 의해서 칩 높이가 낮은 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 모바일 전화기, 태블릿 컴퓨터, 혹은 랩톱과 같은 모바일 컴퓨팅 장치에서는, 얇은 컴퓨팅 장치를 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 일부 실시예에서, 이면 에칭 단계를 형성하는 일 없이 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, MEMS 트랜스듀서(260)는, 멤브레인(206) 아래에 공동부(212)를 형성하기 위한 이면 에칭을 행하지 않고 들어올림 단계를 이용해서, 일 실시예의 제조 방법으로 형성될 수 있다.
도 8은 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서의 다른 실시예의 제조 방법(400)의 흐름도를 나타내고 있다. 다양한 실시예에 따라서, 제조 방법(400)은 단계 405, 410, 415를 포함한다. 이러한 실시예에서, 단계 405에서는 단결정 실리콘의 층 내에 트랜스듀서 프레임을 형성한다. 트랜스듀서 프레임을 형성하는 것은, 공동부에 인접해서 지지 부분을 형성하는 것 및 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살 세트를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 트랜스듀서 프레임은 회전자의 일부를 가리킬 수 있고, 제 1 빗살 세트는 회전자 빗살을 가리킬 수 있다.
단계 405에 이어서, 단계 410에서는 앵커로부터 지지 부분으로 스프링 지지부를 형성한다. 예컨대, 스프링 지지부는 비틀림 스프링 구조체를 포함할 수 있다. 스프링 지지부는, 제 1 빗살 세트 혹은 다른 모서리와 같은 지지 부분의 모서리에 연결될 수 있다. 이러한 실시예에서, 지지 부분은 2개 이상의 모서리를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 지지 부분은 4개의 모서리를 가진 직사각형이다.
다양한 실시예에 따라서, 단계 410에서는 단결정 실리콘의 층 내의 제 2 빗살 세트를 형성한다. 이러한 실시예에서, 제 2 빗살 세트는 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워진다. 대안의 실시예에서, 단결정 실리콘의 층은 예컨대, 게르마늄과 같은 대안의 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 단결정 실리콘의 층은 SON 층이다. 다양한 실시예에 따라서, 제조 방법(400)은 다른 도면을 참조로 상기 설명한 임의의 실시예에 따라서 다양한 추가적인 처리 단계를 포함하도록 수정될 수도 있고 혹은 재배열될 수도 있다.
일 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은, 단결정 실리콘의 층에 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계를 포함하고, 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는 공동부에 인접해서 지지 부분을 형성하는 단계 및 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살 세트를 형성하는 단계를 포함한다. MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은, 또한 앵커로부터 지지 부분으로 스프링 지지부를 형성하는 단계 및 단결정 실리콘의 층에 제 2 빗살 세트를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제 2 빗살 세트는 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있다. 다른 실시예는, 다양한 실시예의 방법을 수행하도록 구성된 대응하는 시스템 및 장치를 포함한다.
다양한 실시예에서, 제 1 빗살 세트 및 제 2 빗살 세트는, 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 100 nm 내지 300 nm 사이의 빗살간 이격 거리를 두고 형성된다. 일부 실시예에서, 제 1 빗살 세트 및 제 2 빗살 세트는 1:50 이상의 빗살 종횡비를 갖고 형성되며, 여기서 빗살 종횡비란, 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 제 1 빗살 세트 및 제 2 빗살 세트의 층 두께에 대한 비율이다.
다양한 실시예에서, 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는, 지지 부분 상에 있으며 공동부 위에 놓이는 멤브레인 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 스프링 지지부에 기계적으로 연결되고 트랜스듀서 프레임을 제자리에서 휘게 하도록(deflect at rest) 구성된 응력층을 형성하는 단계를 더 포함한다. 스프링 지지부를 형성하는 단계는 앵커와 지지 부분 사이에 비틀림 스프링 지지부를 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 300 ㎛ 이하의 칩 두께의 MEMS 트랜스듀서를 형성하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은, 앵커로부터 연장되며, 트랜스듀서 프레임, 스프링 지지부 및 제 2 빗살 세트를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고, 응력 해제 갭은 MEMS 트랜스듀서의 기판으로부터 트랜스듀서 프레임, 스프링 지지부 및 제 2 빗살 세트로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성된다.
일 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 단결정 실리콘 기판에 SON 구조체를 형성하는 단계와, SON 구조체를 통해서 고 종횡비의 트렌치를 에칭하는 단계와, SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계와, 고 종횡비의 트렌치에 인접하고 멤브레인의 아래로, SON 구조체에 공동부를 형성하는 단계와, 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 공동부를 노출시키는 단계를 포함한다. 다른 실시예는 다양한 일 실시예의 방법을 수행하도록 각각 구성되는, 대응하는 시스템 및 장치를 포함한다.
다양한 실시예에서, 고 종횡비의 트렌치를 에칭하는 단계는, 1:50 이상의 종횡비를 가진 트렌치를 에칭하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 공동부를 노출시키는 단계는, 단결정 실리콘 기판을 통해서 이면 에칭을 수행하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 공동부를 노출시키는 단계는, SON 구조체를 둘러싸는 트렌치를 에칭하는 단계와, 들어올림 스텝을 수행해서 단결정 실리콘 기판으로부터 SON 구조체를 제거하는 단계를 포함한다. 일부 이러한 실시예에서, 들어올림 스텝을 수행하는 단계 이후에, SON 구조체는 300 ㎛ 이하의 층 두께를 갖게 된다.
다양한 실시예에서, SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계는, 프레임워크를 형성하고 프레임워크 상에 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하고, SON 구조체에 공동부를 형성하는 단계는, 프레임워크가 공동부를 둘러싸도록 프레임워크에 공동부를 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 SON 구조체에 비틀림 스프링을 형성하는 단계를 더 포함하고, 비틀림 스프링은 프레임워크에 연결되고 프레임워크를 지지한다. MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 비틀림 스프링에 기계적으로 연결된 응력층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법은 비틀림 스프링에 연결된 앵커로부터 연장되며, SON 구조체를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고, 응력 해제 갭은 단결정 실리콘 기판으로부터 SON 구조체로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성된다.
일 실시예에 따라서, MEMS 장치를 형성하는 방법은 반도체 기판에 복수의 트렌치를 형성하는 단계와, 복수의 트렌치를 리플로우해서, 복수의 트렌치의 상부로부터 SON 구조체를 형성하고, 복수의 트렌치의 바닥부로부터 반도체 기판 내에 빈 공간을 형성하는 단계와, 빈 공간에 에칭 차단 라이너를 형성하는 단계와, SON 구조체에 복수의 빗살을 형성하는 단계와, SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계와, 멤브레인 아래에서 SON 구조체 내에 공동부를 형성하는 단계와, 반도체 기판의 바닥면으로부터 빈 공간으로 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계와, 멤브레인 및 복수의 빗살의 제 1 부분의 휘어짐을 해제시키는 단계를 포함한다. SON 구조체 내의 공동부는 반도체 기판의 상면으로부터 에칭 차단 라이너로 연장된다. 다른 실시예는 다양한 일 실시예의 방법을 수행하도록 각각 구성되는, 대응하는 시스템 및 장치를 포함한다.
다양한 실시예에서, 복수의 빗살은 1:50 이상의 빗살 종횡비를 갖고 형성되며, 빗살 종횡비는, 복수의 빗살의 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 복수의 빗살의 층 두께에 대한 비율이다. 일부 실시예에서, MEMS 장치를 형성하는 방법은 지지 스프링을 형성하는 단계를 더 포함하고, SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계는, 지지 스프링에 연결된 프레임워크를 형성하는 단계와, 프레임워크 상에 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하며, SON 구조체 내에 공동부를 형성하는 단계는 프레임워크가 공동부를 둘러싸도록 프레임워크 내에 공동부를 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 일부 실시예에서, MEMS 장치를 형성하는 방법은 지지 스프링에 기계적으로 연결된 응력층을 형성하는 단계를 더 포함한다. MEMS 장치를 형성하는 방법은 지지 스프링에 연결된 앵커로부터 연장되며, SON 구조체를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고, 응력 해제 갭은 반도체 기판으로부터 SON 구조체로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성된다.
다양한 실시예에서, 반도체 기판의 바닥면으로부터 빈 공간으로 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계는, 반도체 기판을 통해서 이면 에칭을 수행하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 반도체 기판의 바닥면으로부터 빈 공간으로 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계는, SON 구조체를 둘러싸는 트렌치를 에칭하는 단계와, 들어올림 스텝을 수행해서 반도체 기판으로부터 SON 구조체를 제거하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따라서, MEMS 트랜스듀서는 단결정 실리콘의 층에 형성된 트랜스듀서 프레임을 포함하고, 트랜스듀서 프레임은, 공동부를 둘러싸는 지지 부분과, 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살 세트를 포함한다. MEMS 트랜스듀서는 앵커로부터 지지 부분으로 연결되는 스프링 지지부와, 단결정 실리콘의 층에 형성된 제 2 빗살 세트를 더 포함하고, 제 2 빗살 세트는 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있다. 다른 실시예는 다양한 일 실시예의 방법을 수행하도록 각각 구성되는, 대응하는 시스템 및 장치를 포함한다.
다양한 실시예에서, 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이의 빗살간 이격 거리는, 100 nm 내지 300 nm 사이이다. 일부 실시예에서, 빗살 종횡비는 1:50 이상이며, 빗살 종횡비는, 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 제 1 빗살 세트 및 제 2 빗살 세트의 층 두께에 대한 비율이다.
다양한 실시예에서, 트랜스듀서 프레임은, 지지 부분 상에 있으며 공동부 위에 놓이는 멤브레인 층을 더 포함한다. 일부 실시예에서, MEMS 트랜스듀서는 스프링 지지부에 기계적으로 연결되고, 트랜스듀서 프레임을 제자리에서 휘게 하도록 구성된 응력층을 더 포함한다. 스프링 지지부는 비틀림 스프링 구조체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 트랜스듀서는 300 ㎛ 이하의 칩 두께를 갖는다. 추가적인 실시예에서, MEMS 트랜스듀서는 앵커로부터 연장되며, 트랜스듀서 프레임, 스프링 지지부 및 제 2 빗살 세트를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 더 포함하고, 응력 해제 갭은 MEMS 트랜스듀서의 기판으로부터 트랜스듀서 프레임, 스프링 지지부 및 제 2 빗살 세트로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 실시예 중 일부의 이점은, 저 노이즈 플로어로부터의 큰 SNR 노이즈를 갖고 있으며 높은 감도를 가진 MEMS 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 예컨대, 일 실시예의 콤 드라이브를 이용하는 일 실시예의 MEMS 음향 트랜스듀서는, 구멍이 형성되어 있는 이면 및 가로막 구조체에 비해서, 음향 노이즈를 감소시킬 수 있었다. 이러한 실시예의 MEMS 음향 트랜스듀서는 본 명세서에 개시된 바와 같은 빗살간 이격 거리가 감소된 것에 기인해서, 대응하는 콤 드라이브 구조를 지나는 통풍 경로도 감소시켰다. 다른 이점은 얇은 제품 패키지를 위해서, 작은 칩 높이를 가진 일 실시예의 MEMS 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
이상 본 발명을 예시적인 실시예를 참조로 설명했지만, 이 설명은 한정의 개념이 아니다. 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 조합, 및 본 발명의 다른 실시예는 이 설명을 참조로 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항은 이러한 수정 혹은 실시예를 포함하고자 했다.

Claims (32)

  1. MEMS(microelectromechanical systems) 트랜스듀서를 형성하는 방법으로서,
    단결정 실리콘의 층에 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는,
    공동부에 인접해서 지지 부분을 형성하는 단계와,
    상기 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살(comb-fingers) 세트를 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 방법은,
    앵커(anchor)로부터 상기 지지 부분으로 스프링 지지부를 형성하는 단계와,
    상기 스프링 지지부에 기계적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서 프레임을 제자리에서 휘게 하도록(deflect at rest) 구성된 응력층을 형성하는 단계와,
    상기 단결정 실리콘의 층에 제 2 빗살 세트를 형성하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 제 2 빗살 세트는 상기 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있는(interdigitated),
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 빗살 세트 및 상기 제 2 빗살 세트는, 상기 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 상기 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 100 nm 내지 300 nm 사이의 빗살간 이격 거리를 두고 형성되는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 빗살 세트 및 상기 제 2 빗살 세트는 1:50 이상의 빗살 종횡비를 갖고 형성되며,
    상기 빗살 종횡비는, 상기 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 상기 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 상기 제 1 빗살 세트 및 상기 제 2 빗살 세트의 층 두께에 대한 비율인
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 프레임을 형성하는 단계는, 상기 지지 부분 상에 있으며 상기 공동부 위에 놓이는 멤브레인 층을 형성하는 단계를 더 포함하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 지지부를 형성하는 단계는, 상기 앵커와 상기 지지 부분 사이에 비틀림 스프링 지지부(torsional spring support)를 패터닝하는 단계를 포함하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEMS 트랜스듀서를 300 ㎛ 이하의 칩 두께로 형성하는 단계
    를 더 포함하는,
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 앵커로부터 연장되며, 상기 트랜스듀서 프레임, 상기 스프링 지지부 및 상기 제 2 빗살 세트를 둘러싸고 있는 응력 해제(stress decoupling) 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 응력 해제 갭은 상기 MEMS 트랜스듀서의 기판으로부터 상기 트랜스듀서 프레임, 상기 스프링 지지부 및 상기 제 2 빗살 세트로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성되는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  9. MEMS 트랜스듀서를 형성하는 방법으로서,
    단결정 실리콘 기판에 SON(silicon-on-nothing) 구조체를 형성하는 단계와,
    상기 SON 구조체를 통해서 사전 지정된 값보다 높은 종횡비를 갖는 고 종횡비의 트렌치를 에칭하는 단계와,
    상기 SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계와,
    상기 고 종횡비의 트렌치에 인접하고 상기 멤브레인의 아래로, 상기 SON 구조체에 공동부(cavity)를 형성하는 단계와,
    상기 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 상기 공동부를 노출시키는 단계
    를 포함하는 MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고 종횡비의 트렌치를 에칭하는 단계는, 1:50 이상의 종횡비를 가진 트렌치를 에칭하는 단계를 포함하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 상기 공동부를 노출시키는 단계는, 상기 단결정 실리콘 기판을 통해서 이면 에칭을 수행하는 단계를 포함하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 기판의 이면 부분을 제거함으로써 상기 공동부를 노출시키는 단계는,
    상기 SON 구조체를 둘러싸는 트렌치를 에칭하는 단계와,
    들어올림(lift-off) 스텝을 수행해서 상기 단결정 실리콘 기판으로부터 상기 SON 구조체를 제거하는 단계
    를 포함하는,
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 들어올림 스텝을 수행하는 단계 이후에, 상기 SON 구조체는 300 ㎛ 이하의 층 두께를 갖게 되는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 SON 구조체에 상기 멤브레인을 형성하는 단계는, 프레임워크를 형성하고 상기 프레임워크 상에 상기 멤브레인을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 SON 구조체에 공동부를 형성하는 단계는, 상기 프레임워크가 상기 공동부를 둘러싸도록 상기 프레임워크에 상기 공동부를 형성하는 단계를 포함하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 SON 구조체에 비틀림 스프링을 형성하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 비틀림 스프링은 상기 프레임워크에 연결되고 상기 프레임워크를 지지하는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비틀림 스프링에 기계적으로 연결된 응력층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 비틀림 스프링에 연결된 앵커로부터 연장되며, 상기 SON 구조체를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 응력 해제 갭은 상기 단결정 실리콘 기판으로부터 상기 SON 구조체로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성되는
    MEMS 트랜스듀서 형성 방법.
  18. MEMS 장치를 형성하는 방법으로서,
    반도체 기판에 복수의 트렌치를 에칭하는 단계와,
    상기 복수의 트렌치를 리플로우해서,
    상기 복수의 트렌치의 상부로부터 SON 구조체를 형성하고,
    상기 복수의 트렌치의 바닥부로부터 상기 반도체 기판 내에 빈 공간을 형성하는
    단계와,
    상기 빈 공간에 에칭 차단 라이너를 형성하는 단계와,
    상기 SON 구조체에 복수의 빗살을 형성하는 단계와,
    상기 SON 구조체에 멤브레인을 형성하는 단계와,
    상기 멤브레인 아래에서 상기 SON 구조체 내에 공동부를 형성하는 단계 - 상기 공동부는 상기 반도체 기판의 상면으로부터 상기 에칭 차단 라이너로 연장됨 - 와
    상기 반도체 기판의 바닥면으로부터 상기 빈 공간으로 상기 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계와,
    상기 멤브레인 및 상기 복수의 빗살의 제 1 부분의 휘어짐(deflect)을 해제시키는(releasing) 단계
    를 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 빗살은 1:50 이상의 빗살 종횡비를 갖고 형성되며,
    상기 빗살 종횡비는, 상기 복수의 빗살의 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 상기 복수의 빗살의 층 두께에 대한 비율인
    MEMS 장치 형성 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    지지 스프링을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 SON 구조체에 상기 멤브레인을 형성하는 단계는,
    상기 지지 스프링에 연결된 프레임워크를 형성하는 단계와,
    상기 프레임워크 상에 상기 멤브레인을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 SON 구조체 내에 공동부를 형성하는 단계는 상기 프레임워크가 상기 공동부를 둘러싸도록 상기 프레임워크 내에 상기 공동부를 형성하는 단계를 포함하는
    MEMS 장치 형성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 지지 스프링에 기계적으로 연결된 응력층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 MEMS 장치 형성 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 지지 스프링에 연결된 앵커로부터 연장되며, 상기 SON 구조체를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 응력 해제 갭은 상기 반도체 기판으로부터 상기 SON 구조체로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성되는
    MEMS 장치 형성 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 바닥면으로부터 상기 빈 공간으로 상기 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계는, 상기 반도체 기판을 통해서 이면 에칭을 수행하는 단계를 포함하는
    MEMS 장치 형성 방법.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 바닥면으로부터 상기 빈 공간으로 상기 반도체 기판의 이면 부분을 제거하는 단계는,
    상기 SON 구조체를 둘러싸는 트렌치를 에칭하는 단계와,
    들어올림 스텝을 수행해서 상기 반도체 기판으로부터 상기 SON 구조체를 제거하는 단계
    를 포함하는,
    MEMS 장치 형성 방법.
  25. MEMS 트랜스듀서로서,
    단결정 실리콘의 층에 형성된 트랜스듀서 프레임을 포함하고,
    상기 트랜스듀서 프레임은,
    공동부를 둘러싸는 지지 부분과,
    상기 지지 부분으로부터 연장되는 제 1 빗살 세트
    를 포함하고,
    상기 MEMS 트랜스듀서는,
    앵커로부터 상기 지지 부분으로 연결되는 스프링 지지부와,
    상기 스프링 지지부에 기계적으로 연결되고, 상기 트랜스듀서 프레임을 제자리에서 휘게 하도록 구성된 응력층과,
    상기 단결정 실리콘의 층에 형성되고, 상기 제 1 빗살 세트와 서로 엇갈려 끼워져 있는 제 2 빗살 세트
    를 더 포함하는
    MEMS 트랜스듀서.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 상기 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이의 빗살간 이격 거리는, 100 nm 내지 300 nm 사이인
    MEMS 트랜스듀서.
  27. 제 25 항에 있어서,
    빗살 종횡비는 1:50 이상이며,
    상기 빗살 종횡비는, 상기 제 1 빗살 세트의 각각의 빗살과 상기 제 2 빗살 세트의 각각의 대응하는 인접 빗살 사이에 빗살간 이격 거리의 상기 제 1 빗살 세트 및 상기 제 2 빗살 세트의 층 두께에 대한 비율인
    MEMS 트랜스듀서.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 프레임은, 상기 지지 부분 상에 있으며 상기 공동부 위에 놓이는 멤브레인 층을 더 포함하는
    MEMS 트랜스듀서.
  29. 삭제
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 스프링 지지부는 비틀림 스프링 구조체를 포함하는
    MEMS 트랜스듀서.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 MEMS 트랜스듀서는 300 ㎛ 이하의 칩 두께를 갖는
    MEMS 트랜스듀서.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 앵커로부터 연장되며, 상기 트랜스듀서 프레임, 상기 스프링 지지부 및 상기 제 2 빗살 세트를 둘러싸고 있는 응력 해제 갭을 더 포함하고,
    상기 응력 해제 갭은 상기 MEMS 트랜스듀서의 기판으로부터 상기 트랜스듀서 프레임, 상기 스프링 지지부 및 상기 제 2 빗살 세트로의 층 응력의 전달을 감소시키도록 구성되는
    MEMS 트랜스듀서.
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