KR101959675B1 - Mems 캐패시티브 마이크로폰 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 마이크로폰은 다이아프램에 부착된 다수의 유동콤핑거와 지지대에 부착된 다수의 고정콤핑거로 구성된 콤감지부를 다이아프램 내부 영역에서 다수로 형성할 수 있으므로 감지면적을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 기판에 고정되는 지지대의 면적이 작아 기생용량이 작다는 장점이 있다. 따라서, 신호대 잡음비가 큰 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 구현할 수 있게 된다.

Description

MEMS 캐패시티브 마이크로폰{MEMS Capacitive Microphone}
본 발명은 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 다수의 콤감지부에서 음파에 의한 정전용량 변화를 감지하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 관한 것이다.
일반적으로 MEMS 캐패시티브 마이크로폰(MEMS Capacitive Microphone)은 음파(Sound Pressure)의 세기에 비례하여 변이(Displacement)되는 다이이프램(Diaphragm)과 이에 대향하여 배치된 백플레이트(Backplate)간의 정전용량(Capacitance)을 측정하는 원리로 동작한다.
미국 등록특허공보 제07146016호, 미국 등록특허공보 제08921956호, 미국 등록특허공보 제08422702호, 미국 공개특허공보 제2012-0294464호 및 미국 공개특허공보 제2013-0108084호에는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰이 예시되어 있다.
예시된 특허에서는, 다이아프램에 음파에너지를 원활히 전달하기 위해서 백플레이트에는 다수의 천공이 형성되어 있다(Perforated Backplate). 그러나, 천공이 크거나 그 수가 많으면 백플레이트의 유효 면적이 작아져 전전용량이 너무 작아지게 된다는 문제점이 있다. 또한, 다이아프램과 백플레이트간의 바이어스 전압(Bias Voltage)이 크게 되면, 정전기력에 의하여 다이아프램이 백플레이트에 붙어버린다는 문제점도 있다.
한편, 다이아프램의 양방향으로 대향된 2개의 백플레이트를 배치하는 듀얼 백플레이트(Dual Backplate) MEMS 캐패시티브 마이크로폰이 PCT 공개특허공보 제2011/025939호, 미국 등록특허공보 제09503823호 및 미국 공개특허공보 제2014-0072152호에 예시되어 있다.
듀얼 백플레이트를 사용하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서는 바이어스 전압에 의한 정전기력이 다이아프램의 양방향으로 작용하므로 다이아프램이 백플레이트에 붙는 문제가 없다. 또, 정전용량의 변화가 차동(Differential)으로 발생되므로 한 개의 백플레이트를 사용하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 비하여 선형성이 우수하고 잡음이 작다는 장점이 있다.
그러나, 백플레이트를 사용하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서는 다이아프램과 백플레이트 사이의 공기유동에 의한 잡음이 항상 발생하고, 이를 억제하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 듀얼 백플레이트 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서도 신호대 잡음비는 70dB이 한계인 것으로 알려져 있다.
한편, 미국 공개특허공보 제2014-0197502호에서 예시한 바와 같이, 콤센싱(Comb Sensing) 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 백플레이트가 없으므로 기존의 듀얼 백플레이트 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 비해 더욱 향상된 신호대 잡음비를 구현할 수 있다. 그러나, 특허에 예시된 마이크로폰은 콤핑거(Comb Finger)가 길이가 제한적인 다이아프램의 엣지(Edge)에 배치되므로 콤의 개수에 제한이 발생할 수 밖에 없어 감도가 낮고, 대향 전극이 기판에 넓게 고정될 수밖에 없으므로 기판을 통한 큰 기생 정전용량(Parasitic Capacitance)이 발생한다. 기판을 통한 기생 정전용량은 유전손실에 의한 잡음을 유발하게 된다.
또한, 다이아프램의 엣지에 콤핑거가 위치하므로 콜루게이티드 다이아프램(Corrugated Diaphragm)등의 엣지가 기판에 고정되는 엣지 클램프드 다이아프램(Edge Clamped Diaphragm)에는 적용을 할 수 없다는 단점이 있다.
미국 등록특허공보 제07146016호(2006.12.05. 등록) 미국 등록특허공보 제08921956호(2014.12.30. 등록) 미국 등록특허공보 제08422702호(2013.04.16. 등록) 미국 공개특허공보 제2012-0294464호(2012.11.22.) 미국 공개특허공보 제2013-0108084호(2013.05.02.) PCT 공개특허공보 제2011/025939호(2011.03.03.) 미국 등록특허공보 제09503823호(2016.11.22. 등록) 미국 공개특허공보 제2014-0072152호(2014.03.13.) 미국 공개특허공보 제2014-0197502호(2014.07.17.)
본 발명의 목적은 감도와 신호대 잡음비가 우수하고 저주파수 특성이 우수하며, 엣지 클램프드 다이아프램에도 적용 가능한 콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제공에 있다.
본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서는 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 다수의 유동콤핑거와, 다이아프램과 수직방향으로 이격되면서 다이아프램을 횡단하는 지지대에 부착된 다수의 고정콤핑거가 평면적으로 유동콤핑거 사이에 일정간격으로 배치되어 있는 콤감지부를 포함하고 있다. 음파가 인가되면 다이아프램은 상하로 변이되며, 따라서 다이아프램에 부착된 유동콤핑거도 상하로 변이된다. 반면, 강성이 큰 지지대에 부착된 고정콤핑거는 변이되지 않는다. 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 상측 또는 하측으로 편이되어 있으므로 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 정전용량은 음파의 세기에 비례하여 변하게 되며, 콤감지부의 정전용량의 변화를 감지하면 음파를 재현할 수 있게 된다.
상기의 콤감지부는 다이아프램 내에서 다수로 형성할 수 있으므로 다이아프램의 엣지에 콤감지부가 형성되는 기존의 콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 비하여 감지면적을 크게 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기판에 고정되는 지지대의 앵커 면적이 작아 기판을 통한 기생 정전용량이 작게 되며, 이로 인한 잡음이 낮다는 장점이 있다. 결국 본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 신호대 잡음비를 크게 개선할 수 있게 된다.
또, 다이아프램 내부에 콤감지부가 형성되므로, 엣지가 기판으로부터 분리된 엣지 릴리스드 다이아프램(Edge Released Diaphragm) 뿐만 아니라 엣지가 기판에 고정된 엣지 클램프드 다이아프램(Edge Clamped Diaphragm), 예를 들면 콜루게이티드 다이아프램(Corrugated Diaphragm)에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 저주파특성이 우수하면서도 감지면적이 넓으면서도 잡음이 작아 큰 신호대 잡음비를 제공한다.
도 1은 본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 단면구조를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 유동콤핑거가 다이아프램의 상부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 본 발명의 캐패시티브 마이크로폰의 제조공정을 보여주고 있다.
도 4는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 캐패시티브 마이크로폰의 제조공정을 보여주고 있다.
도 5는 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 캐패시티브 마이크로폰의 제조공정을 보여주고 있다.
도 6a 내지 도 6c는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제조공정을 보여주고 있다.
도 7은 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제조공정을 보여주고 있다.
도 8에서 도 10은 여러 가지 형태의 유동콤핑거와 고정콤핑거의 평면구조를 갖는 본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 보여주고 있다. 다이아프램의 구조는 기판으로부터 다이아프램이 분리된 엣지 릴리스드 다이아프램(Edge Released Diaphragm)으로 예시하였다.
아래의 기판이 제거되고 윙(Wing)과의 사이의 간극에 의해서 기판으로부터 기계적으로 분리된 다이아프램(Diaphragm)은 지지스프링(Supporting Spring)에 의해서 기판에 매달려 있다. 음파가 인가되면 다이아프램은 음파의 압력에 의해서 상하로 변이(Displacement)된다.
다이아프램이 제거된 영역에는 일정두께와 폭을 갖는 다수의 콤핑거(Comb Finger, 이를 유동콤핑거(Moving Comb Finger)라고 지칭한다)가 다이아프램이 제거된 영역의 엣지에 부착되어 있다. 유동콤핑거는 다이아프램의 직경방향을 향하고 있고 각 유동콤핑거의 중간은 원주방향으로 서로 연결되어 있다.
한편, 단부가 기판에 앵커(Anker)에 의해 고정된 지지대는, 평면적으로 유동콤핑거 양측에 배치된 일정두께와 폭을 갖는 콤핑거(이를 고정콤핑거(Stationary Comb Finger)라고 지칭한다)를 지지하고 있다.
이때, 지지대와 고정콤핑거는 동일재질과 동일두께를 가지고 동일공정으로 형성되며, 유동콤핑거를 기준으로 수직방향으로 동일한 높이로 편이(Deviation)되어 있다.
다이아프램과 지지대와 유동콤핑거와 고정콤핑거는 전도체로 이루어지므로 유동콤핑거와 고정콤핑거 간에는 정전용량(Capacitance)이 존재하게 되고, 이는 지지스프링의 기판에 고정된 지점과 지지대 앵커 간에서 측정할 수 있게 된다.
음파가 인가되면 다이아프램은 수직방향으로 변이를 하게되고, 이에 따라 유동콤핑거도 수직방향으로 변이를 하게 된다.
반면, 고정콤핑거는 강성이 높은 지지대에 부착되어 있으므로 음파에 의한 변이가 거의 없다.
따라서, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 정전용량이 변화하게 되며, 정전용량의 변화를 측정하면 음파의 세기가 구해진다.
본 발명에서는 이와 같이 음파를 감지하는 유동콤핑거와 고정콤핑거로 이루어진 영역을 콤감지부(Comb Sensor)라고 지칭한다.
도 1에는 8개의 콤감지부가 형성되어 있는데 필요에 따라 원주방향 및 직경방향으로 그 갯수와 배치방법을 조절할 수 있다.
한편, 지지대와 교차하지 않는 조건으로 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하는 스티프너를 부착할 수 있다.
스티프너는 유동콤핑거와 동일재질 및 동일두께를 갖고 동일공정으로 형성된다. 예를 들면, 도 1에는 다이아프램의 엣지를 둘러싸는 스티프너가 형성되어 있다.
도 1의 윙의 엣지에도 스티프너가 형성되어 있는데, 다이아프램의 엣지에 형성되어 있는 스티프너와 수 ㎛ 이내의 좁은 간극을 두고 마주보고 있다.
따라서, 윙과 다이아프램 사이는 좁은 간극과 두꺼운 스티프너로 인해 음파가 다이아프램 아래로 거의 새어 나가지 못하게 된다.
유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격이 충분히 작으면, 이 사이로도 음파가 새어나가지 못하므로 별도의 벤트홀(Vent Hole, 미도시)이 형성되는 것이 바람직하다.
설계에 따라 유동콤핑거는 다이아프램 상부에 부착시킬 수도 있고, 다이아프램 하부에 부착시킬 수도 있다. 또, 유동콤핑거를 다이아프램 상하에 형성한 후, 유동콤핑거의 수직 양방향에 고정콤핑거를 쌍으로 형성할 수도 있다.
이와 같이 다양한 경우에 대한 도 1의 콤감지부의 단면(단면 A-A')을 포함한 단면도가 도 2에 예시되어 있다.
도 2의 (가)는 유동콤핑거를 다이아프램의 상측에 부착하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 상측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일하게 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상측에는 지지대와 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
다이아프램이 제거된 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되는데, 이는 음파가 다이아프램 엣지에서 음파가 새어나가는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 도 2의 (가)에서 다이아프램 엣지에 부착되어 있는 유동콤핑거가 제거된다면 음파는 다이아프램 엣지와 고정콤핑거 사이의 틈으로 새어나가 저주파특성을 불량하게 한다.
도 2의 (나)는 유동콤핑거를 다이아프램의 하측에 부착하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 하측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일하게 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 하부에는 지지대와 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다. 다이아프램이 제거된 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되는데, 이는 음파가 다이아프램 엣지에서 음파가 새어나가는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 도 2의 (나)에서 다이아프램 엣지에 부착되어 있는 유동콤핑거가 제거된다면 음파는 다이아프램 엣지와 고정콤핑거 사이의 틈으로 새어나가 저주파특성을 불량하게 한다.
도 2의 (다)는 유동콤핑거를 다이아프램의 상측 및 하측에 부착하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거 상하측에 각각 형성한 경우의 콤감지부의 단면을 보여주고 있다.
이때, 상부 고정콤핑거와 상부지지대는 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이하고, 하부 고정콤핑거와 하부지지대는 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이 시킨다.
상부 지지대는 상부 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 상부 고정콤핑거와 동일하게 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
하부 지지대는 하부 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 하부 고정콤핑거와 동일하게 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상부 및 하부에는 지지대와 교차되지 않는 상부 및 하부 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
다이아프램이 제거된 엣지에는 가장 바깥쪽의 상부 및 하부 유동콤핑거가 부착되는데, 이는 음파가 다이아프램 엣지에서 음파가 새어나가는 것을 방지하기 위함이다.
즉, 도 2의 (가)에서 다이아프램 엣지에 부착되어 있는 상부 또는 하부 유동콤핑거가 제거된다면 음파는 다이아프램 엣지와 상부 또는 하부 고정콤핑거 사이의 틈으로 새어나가 저주파특성을 불량하게 한다.
이 구조에서는 상부 유동콤핑거와 상부 고정콤핑거 간의 정전용량변화와 하부 유동콤핑거와 하부 고정콤핑거 간의 정전용량변화가 반대로 발생하므로 차동 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
한편, 지지대 및 스티프너는 강성을 더욱 크게 하기 위하여 여러개를 서로 연결할 수 있다. 나아가, 1개 이상의 지지대를 연결하여 삼각, 사각, 육각 등 다양한 다각 형태로 서로 연결되도록 하여 강성을 증가시킬 수도 있다. 예를 들면, 다각 형태로 구성된 지지대에 평행한 형태의 지지대를 결합함으로써 다양항 형태를 구성하는 것이 그 예이다. 또 다른 일예로 위의 다각 형태를 통한 메쉬(mesh) 형태도 그 예이다.
유동콤핑거 및 고정콤핑거는 폭이 작고, 두께가 크며, 길이가 크며, 유동콤핑거와 고정콤핑거간의 간격이 좁을수록 정전용량이 크게 되어 바람직하다. 또, 고정콤핑거의 편이정도는 충분한 것이 정전용량의 변화를 감지하는 측면에서 바람직하다.
또한, 고정콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 넓을수록 다이아프램이 음파에 의해 변이될 때 공기의 저항이 작아지므로 충분한 간격을 유지하는 것이 바람직하다. 지지대와 스티프너는 두꺼울수록 강성이 커지므로 두께가 큰 것이 바람직하다.
그러나, 이러한 설계 수치들은 재질, 제조공정 및 기계적특성 측면을 고려하여 최적화 하여야 하며, 본 발명에서는 유동콤핑거 및 고정콤핑거의 폭은 1㎛~10㎛, 두께는 2㎛~20㎛, 길이는 10㎛~100㎛, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 0.5㎛~5㎛, 고정콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 5㎛~20㎛인 것을 설계에 검토하였다.
또한, 지지대 및 스티프너의 폭과 두께는 고정콤핑거 및 유동콤핑거와 동일한 1㎛~10㎛ 과 2㎛~20㎛를 검토하였으며, 다이아프램의 두께는 0.3㎛~3㎛를 검토하였다. 지지대 및 고정콤핑거는 다이아프램과 1㎛~10㎛ 이격될 수 있음을 검토하였다. 콤감지부에서의 정전용량은 기판에 형성되는 단자에서 측정해야 하므로 유동콤핑거, 고정콤핑거, 다이아프램 및 지지대는 전도성을 갖는 재질이어야 한다.
이하, 도 2의 각 구조를 구현하는 제조방법은 도 3a에서 도 7에 걸쳐서 설명한다.
도 3a 및 도 3b은 유동콤핑거가 다이아프램 상부에 형성되며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제조공정을 보여준다.
먼저, 도 3a의 (가)와 같이 기판에 보호막을 형성하고 도 3a의 (나)와 같이 보호막 위에 전도성이 있는 탄성층 패턴을 형성한다. 탄성층 패턴은 다이아프램과 윙과 지지스프링을 이루게 된다.
본 발명에서는 기판으로서 (100)면의 실리콘 웨이퍼를, 보호막으로서 0.5㎛ 두께의 실리콘질화막을 사용하였으며, 탄성층으로서는 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
그 다음 도 3a의 (다)와 같이 제 1희생층 패턴에 평탄하게 충진된 제 1전도체를 형성한다. 이와 같이 희생층 패턴에 전도체를 평탄하게 충진하는 방법으로는 여러 가지가 있다.
희생층으로서 USG(Undoped Silicon oxide Glass), PSG(Phosphosilicate Glass), BPSG(Borophosphosilicate Glass), SOG(Spin On Glass), TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)을 RIE(Reactive Ion Etching)방법으로 식각하여 트렌치(Trench)를 형성하고, 폴리실리콘 또는 비정질실리콘(Armophous Silicon) 또는 알루미늄 또는 티타늄 또는 마그네슘 또는 니켈 또는 텅스텐, 구리 등의 전도층을 증착한 후 CMP(Chemical Mechanical Polishing)방법으로 연마하여 트렌치에 전도체를 평탄하게 충진할 수 있다(방법 1).
다른 방법으로는 희생층으로서의 포토레지스트로 패턴을 형성하거나 희생층으로서의 폴리이미드를 식각하여 트렌치를 형성한 후, 알루미늄 또는 티타늄 또는 니켈 또는 텅스텐 또는 구리 등의 금속을 증착한 후 금속 표면층을 식각하여 트렌치에 전도체를 충진할 수 있다(방법 2).
또 다른 방법으로는 희생층으로서의 포토레지스트(Photoresist)로 패턴을 형성하거나 희생층으로서의 폴리이미드(Polyimide)를 식각하여 트렌치를 형성한 후, 니켈 또는 구리를 무전해도금(Electroless Plating)하여 트렌치에 전도체를 형성할 수 있다(방법 3).
본 발명에서는 "방법 1"을 사용하였으며, 제 1희생층으로서 4㎛ 두께의 USG를 사용하고 제 1전도체는 폴리실리콘을 1㎛ 증착 후 CMP방법으로 연마하여 형성하였다.
그 다음, 도 3b의 (라)와 같이 "방법 1"을 사용하여 제 2희생층으로서 2㎛ 두께의 USG를 증착하고, 제 1희생층의 2㎛까지 깊이까지 트렌치를 형성한 후 제 2전도체로서 폴리실리콘을 1㎛ 증착 후 CMP방법으로 연마하였다.
그 다음, 도 3b의 (마)와 같이 기판밑면과 보호막을 순차적으로 식각하였다.
마지막으로 도 3b의 (바)와 같이 희생층을 제거하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 다이아프램의 상측으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 상부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램과 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다. 또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제조공정에서는 생략하였다.
도 4는 유동콤핑거가 다이아프램 하부에 형성되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제조공정을 보여준다.
도 4의 (가)는 보호막 위에 각 희생층과 각 희생층 패턴에 충진된 각 전도체 및 탄성층이 쌓여 있는 구조를 보여준다.
이러한 각 희생층 및 전도체는 도 3a 및 도 3b에서 설명한 "방법 1"의 공정을 사용하여 형성되었다. 보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 탄성층은 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
모든 희생층의 재질은 USG로 하였고 모든 전도체는 폴리실리콘을 사용하였다. 제 1희생층의 두께는 4㎛, 제 2희생층의 두께는 2㎛로 하였다.
도 4의 (가)공정이 완료된 후 도 4의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막 및 희생층을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 다이아프램의 하측으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 하부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램과 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제조공정에서는 생략하였다.
도 5는 유동콤핑거와 지지대가 다이아프램 상부 및 하부에 형성되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제조공정을 보여준다.
도 5의 (가)는 보호막 위에 각 희생층과 각 희생층 패턴에 충진된 각 전도체 및 탄성층이 쌓여 있는 구조를 보여준다.
이러한 각 희생층 및 전도체는 도 3a 및 도 3b에서 설명한 "방법 1"의 공정을 사용하여 형성되었다. 보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 탄성층은 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
모든 희생층의 재질은 USG로 하였고 모든 전도체는 폴리실리콘을 사용하였다. 제 1희생층의 두께는 4㎛, 제 2희생층의 두께는 2㎛, 제 3희생층의 두께는 4㎛, 제 4희생층의 두께는 2㎛로 하였다.
도 5의 (가)공정이 완료된 후 도 5의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막 및 희생층을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 다이아프램의 상측 및 하측으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거가 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램의 상부 및 하부에 부착된 스티프너가 함께 형성되며, 다이아프램과 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 사이에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 다이아프램으로부터 하측으로 이격되어 있는 하부 지지대가 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 상부 고정콤핑거와 하부 고정핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 차동으로 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제조공정에서는 생략하였다.
한편, 기판에 트렌치를 형성함으로써 제조공정에 사용되는 보호막의 개수를 줄일 수 있는데, 도 6a 내지 도 6c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역에서 다이아프램 하측에 형성되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제조공정을 보여준다.
도 6a의 (가)와 같이 실리콘 기판에 트렌치를 형성하고, 도 6a의 (나)와 같이 열산화(Thermal Oxidation)를 하여 실리콘 산화막을 성장시킨다.
그 다음 도 6a의 (다)와 같이 도 3a 및 도 3b에서 설명한 “방법 1”의 물질을 증착하고 CMP를 실시하면 제 1전도체가 트렌치에 충진된다.
본 발명에서는 실리콘 산화막을 0.5㎛두께로 형성하였으며, 제 1전도체는 6㎛ 두께의 폴리실리콘으로 하였다. 그 다음 도 6b의 (라) 및 (마)와 같이 제 1희생층을 증착한 후 제 1희생층, 실리콘 산화막 및 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 트렌치를 형성하고, 열산화를 하면 도 6b의 (바)와 같이 된다.
그 다음, 도 3a 및 도 3b에서 설명한 “방법 1”의 물질을 증착하고 CMP를 실시하면 제 2전도체가 트렌치에 충진된다.
본 발명에서는 제 1희생층으로서 2㎛ 두께의 USG를 사용하였고, 실리콘 산화막을 0.5㎛두께로 형성하였으며, 제 2전도체는 6㎛ 두께의 폴리실리콘으로 하였다. 도 6c의 (아)와 같이 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하여 탄성층 패턴을 형성한 후에, 도 6c의 (자)와 같이 밑면의 실리콘 기판을 식각하고, 도 6c의 (차)와 같이 실리콘 산화막과 희생층을 제거하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며 다이아프램의 하측으로 다이아프램이 제거된 영역에 유동콤핑거가 형성된다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 사이에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제조공정에서는 생략하였다.
도 7은 도 6a 내지 도 6c의 공정을 이용한, 유동콤핑거를 다이아프램 상측 및 하측으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성하며 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제조공정을 보여준다.
제 1전도체, 제 1희생층, 제 2전도체 및 탄성층 패턴을 도 6a 내지 도 6c의 (가)에서 (아)까지의 공정으로 형성한 후에 도 3a 및 도 3b의 “방법 1”을 사용하여 제 2희생층, 제 3희생층, 제 3전도체, 제 4전도체를 형성하면 도 7의 (가)와 같이 된다.
본 발명에서는 제 1전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 제 1희생층으로서 2㎛ 두께의 USG, 제 2전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 탄성층으로서 0.5㎛두께의 폴리실리콘, 제 2희생층으로서 6㎛ 두께의 USG, 제 3희생층으로서 2㎛두께의 USG, 제 3전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘, 제 4전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘으로 각각 형성하였다.
그 다음, 도 7의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막 및 희생층을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 다이아프램의 상측 및 하측의 다이아프램이 제거된 영역에 상부 및 하부 유동콤핑거가 형성된다.
또한, 평면적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 사이에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 다이아프램으로부터 하측으로 이격되어 있는 하부 지지대가 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 상부 고정콤핑거와 하부 고정핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 차동으로 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제조공정에서는 생략하였다.
한편, 본 발명의 각 제조공정에서 사용된 각 희생층 및 전도체의 두께는 2~6㎛ 범위이나 설계에 따라 20㎛까지 증가시킬 수 있다.
또, 설계에 따라 기판의 재질은 실리콘 외에 스테인레스강, 니켈, 구리, 티타늄, 유리, 또는 폴리이미드 등을 사용할 수 있고, 보호막으로서는 실리콘 질화막 외에 실리콘 산화막 또는 폴리이미드를 사용할 수 있다.
탄성층은 폴리실리콘 외에 비정질실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등의 금속을 사용할 수 있다.
또 다른 한편으로는, 다이아프램의 면적은 0.1mm x 0.1mm(0.01mm2)에서 2mm x 2mm(4mm2)범위에서 설계될 수 있다. 또한, 다이아프램의 형태는 도 1에 예시된 원형 외에도 정사각형, 직사각형, 8각형이 될 수 있음은 자명하다.
한편, 도 1에서 각 유동콤핑거는 다이아프램의 직경방향을 향하고 있는데, 이는 탄성층에 잔류응력이 존재하면 다이아프램이 직경방향으로 수축을 하기 때문이다.
즉, 다이아프램의 직경방향으로 유동콤핑거 및 고정콤핑거가 배치되어 있으면 다이아프램이 직경방향으로 수축할 시에도 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격이 유지된다.
다이아프램의 형태가 원형이 아닌 경우는 다이아프램의 중심을 향하도록 각 유동콤핑거를 배치하면 된다.
또, 유동콤핑거의 중간을 서로 연결한 것은 제조공정 상 또는 마이크로폰 사용시 발생되는 외력에 유동콤핑거가 파손되지 않게 하기 위함이다.
즉, 유동콤핑거가 단독으로 직경방향에 놓이게 되면 외력에 의해 쉽게 쓰러지지만, 서로 중간에서 연결하게 되면 훨씬 강하게 외력에 버틸 수가 있게 된다.
도 8은 이러한 다이아프램의 수축 및 외력에 대한 내구성을 고려한 본 발명에서 제공하는 마이크로폰의 다른 평면구조를 보여준다.
도 8은 다이아프램이 수축되더라도 고정콤핑거와의 간격을 유지하기 위하여 유동콤핑거가 직경방향으로 배치되어 있고, 외력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 각 콤핑거의 한 단을 연결한 것이다.
만약, 탄성층의 잔류응력이 매우 작으면 다이아프램의 직경방향으로의 수축도 작게 된다. 이 경우에는 도 9 및 도 10과 같이 콤핑거의 방향을 다이아프램의 원주 방향으로 배치하는 것이 가능하다(다이아프램의 형태가 원형이 아닌 경우는 다이아프램의 엣지에 평행하도록 배치함).
도 9는 유동콤핑거가 다이아프램의 원주방향으로 배치되어 있고, 외력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 각 콤핑거의 중간을 연결한 것이다.
도 10은 유동콤핑거가 다이아프램의 원주방향으로 배치되어 있고, 외력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 각 콤핑거의 한 단을 연결한 것이다.
필요에 따라, 도 8에서 도 10까지의 마이크로폰은 다이아프램의 상부 또는 하부 또는 상부 및 하부에 지지대와 교차하지 않는 스티프너를 더 구비할 수 있다. 또, 예시된 다이아프램의 형태가 엣지 릴리스드 다이아프램이므로 다이아프램의 엣지와 윙의 엣지에서 간극을 두고 마주보는 스티프너를 더 구비할 수 있다.
도 1 및 도 8에서 도 10까지 예시된 본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 다이아프램은 엣지 릴리스드 다이아프램(Edge Released Diaphragm) 형태이다. 그러나, 본 발명에 의하면 콤감지부는 다이아프램의 내부에서 형성되므로 엣지 클램프드 다이아프램(Edge Clamped Diaphragm), 예를 들면 콜루게이티드 다이아프램(Corrugated Diaphragm)에도 적용할 수 있음은 자명하다.
이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (21)

  1. 윙과의 사이 간극에 의해 기판으로부터 분리된 다이아프램이 지지스프링에 의해 기판에 매달려 있으며, 다이아프램 내부의 다수의 다이아프램이 제거된 영역에서 다수의 유동콤핑거가 형성되며, 평면적으로 각각의 유동콤핑거의 사이에 일정 간격을 갖고 배치되며 유동콤핑거보다 상측 또는 하측으로 편이된 다수의 고정콤핑거가 형성되며, 이로 인해 상기 다수의 유동콤핑거 및 고정콤핑거가 세트로 형성된 콤감지부가 다수 형성되며, 기판에 지지되면서 다이아프램의 수직방향으로 이격되어 있는 지지대가 형성되며, 상기 고정콤핑거는 지지대에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램은 엣지 릴리스드 다이아프램이거나 엣지 클램프드 다이아프램인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지지대는 고정콤핑거와 동일재질 및 동일두께를 가지며, 고정콤핑거와 동일하게 다이아프램으로부터 이격된 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위한 스티프너가 부착되며,
    상기 스티프너는 유동콤핑거와 동일재질 및 동일두께를 가지며,
    지지대와 교차하지 않는 스티프너 및 엣지 릴리스드 다이아프램인 경우 다이아프램 엣지와 윙의 엣지에서 간극을 두고 마주보는 스티프너가 추가로 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램이 제거된 영역의 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위한 스티프너가 부착되며,
    상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 상측에 부착되고, 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되며, 지지대는 다이아프램 및 스티프너로부터 상측으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위한 스티프너가 부착되며,
    상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 하측에 부착되고, 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되며, 지지대는 다이아프램 및 스티프너로부터 하측으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위한 스티프너가 부착되며,
    상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 상측과 하측에 부착되고, 상측의 고정콤핑거는 상부의 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되며, 하측의 고정콤핑거는 하부의 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되며, 상측의 고정콤핑거는 다이아프램 및 지지대로부터 상측으로 이격되어 있는 지지대에 부착되며, 하측의 고정콤핑거는 다이아프램 및 지지대로부터 하측으로 이격되어 있는 지지대에 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유동콤핑거와 고정콤핑거의 폭은 1㎛~10㎛이고, 두께는 2㎛~20㎛이며, 길이는 10㎛~100㎛인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유동콤핑거와 고정콤핑거의 간격은 0.5㎛~5㎛이고, 고정콤핑거와 고정콤핑거의 간격은 2㎛~20㎛이며, 고정콤핑거는 유동콤핑거와 1㎛~10㎛로 중첩되고,
    고정콤핑거와 지지대는 유동콤핑거를 기준으로 상측 또는 하측으로 1㎛~10㎛ 만큼 편이된 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에 부착되는 스티프너와 상기 다이아프램에 이격 형성되는 지지대의 폭은 1㎛~10㎛이고, 두께는 2㎛~20㎛인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램에 부착되는 스티프너 또는 상기 다이아프램에 이격 형성되는 지지대는 강성을 위해 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 재질은 실리콘, 스테인레스강, 니켈, 구리, 티타늄, 유리 또는 폴리이미드 중 하나인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 기판에 형성된 보호막의 재질은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 또는 폴리이미드 중 하나인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램, 윙 및 지지스프링의 재질은 폴리실리콘, 비정질실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴 또는 탄탈륨 중 하나인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 유동콤핑거, 고정콤핑거, 다이아프램에 부착되는 스티프너 및 지지대의 재질은, 폴리실리콘, 비정질실리콘, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 텅스텐 또는 구리 중 하나인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 다이아프램의 두께는 0.3㎛~3㎛이며, 평면적 형태는 정사각형이거나 직사각형이거나 8각형이거나 원형 중 하나이며, 면적은 0.01mm2~4mm2인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  18. 제 1항에 있어서,
    다이아프램이 제거된 영역에 형성된 각 유동콤핑거는 다이아프램의 직경방향을 향하고, 복수 개의 것이 이의 중간에 다이아프램의 원주방향으로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  19. 제 1항에 있어서,
    다이아프램이 제거된 영역에 형성된 각 유동콤핑거는 다이아프램의 직경방향을 향하고, 복수 개의 것 각각의 일단부가 다이아프램의 원주방향으로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  20. 제 1항에 있어서,
    다이아프램이 제거된 영역에 형성된 각 유동콤핑거는 다이아프램의 원주방향으로 배치되고, 복수 개의 것이 이의 중간에 다이아프램의 직경방향을 향하도록 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
  21. 제 1항에 있어서,
    다이아프램이 제거된 영역에 형성된 각 유동콤핑거는 다이아프램의 원주방향으로 배치되고, 일단부가 다이아프램의 직경방향을 향하도록 하여 복수의 유동콤핑거가 연결되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
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