KR102034389B1 - Mems 캐패시티브 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명의 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 스토퍼와 다수의 부도체 지지대를 형성함으로써 기생용량을 최소화 한다. 따라서, 감도가 우수하고 균일한 마이크로폰 구현이 가능해 진다.

Description

MEMS 캐패시티브 마이크로폰{MEMS Capacitive Microphone}

본 발명은 콤감지부에서 음파에 의한 정전용량 변화를 감지하는 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰 및 그 제작방법에 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.

콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 다이아프램에 형성된 유동콤핑거에 평면적으로 일정한 간격을 갖고 인접해 있는 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 수직방향으로 편이되어 있는 구조를 갖고 있다.

따라서, 유동콤핑거와 고정콤핑거간에는 정전용량이 형성된다. 음파가 인가되면 고정콤핑거는 변이되지 않는 반면 다이아프램에 부착되어 있는 유동콤핑거는 다이아프램과 함께 수직방향으로 변이된다.

따라서, 음파가 인가되면 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 정전용량이 변동하게 되고, 정전용량의 변동을 감지하면 음파를 측정할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 있어서, 기판에 고정되는 다이아프램의 면적이 넓게 되면 다이아프램과 기판 또는 지지대와의 큰 기생용량(Parasitic Capacitance)이 발생하게 된다.

통상적으로, 기판에 고정되는 다이아프램의 면적은 기판 밑면의 식각공정의 정확도와 희생층의 측면으로의 식각을 고려하여 설계된다.

그러나 수백 ㎛두께의 기판 밑면을 식각하는 공정은 부정확할 수 밖에 없고, 희생층의 식각조건은 과도하게 설정(Over Etching)될 수 밖에 없으므로 기판에 고정되는 다이아프램의 면적은 과도하게 설계될 수 밖에 없고 결국, 그 값이 크고 제품간에 불균일한 기생용량을 야기하게 된다.

또한, 고정콤핑거를 지지하는 지지대는 전도성을 가지며 기판에 고정되는데, 지지대의 개수가 많거나 지지대가 기판에 위치하는 길이가 크게 되면 기판 또는 다이아프램과의 큰 기생용량(Parasitic Capacitance)을 발생시키게 된다.

특히, 부정확하게 수행될 수 밖에 없는 기판 밑면을 식각하는 공정을 감안하면, 지지대가 기판에 위치하는 길이를 충분히 크게 할 수 밖에 없으므로 결국, 그 값이 크고 제품간에 불균일한 기생용량을 야기하게 된다.

기생용량은 마이크로폰의 출력을 감쇄하므로, 결국 불균일하고 큰 기생용량의 존재는 작고 불균일한 감도를 야기하게 된다.

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 지지대에 의한 기생용량을 최소화함으로써 감도가 균일하면서도 우수한 마이크로폰 제공에 있다.

콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서 있어서, 희생층의 측면으로의 식각을 멈추게 하는 부도체로 이루어진 스토퍼(Stopper)를 형성함으로써, 기판에 고정되는 다이아프램의 면적을 최소로 하여 다이아프램에 의한 기생용량을 감소시킨다.

또한, 전도체로 이루어진 다수의 지지대의 일부를 부도체, 즉 부도체성 지지대로 대체하여 절연함으로써 지지대에 의한 기생용량을 감소시킨다.

본 발명의 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 지지대에 의한 기생용량을 최소화하므로 감도가 균일하면서도 우수한 마이크로폰을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 스토퍼 및 부도체성 지지대가 적용된, 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 여러 가지 단면구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 스토퍼 및 부도체성 지지대가 적용된, 평면적으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러 가지 단면구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명에서 제공하는 여러 가지 스토퍼의 단면구조를 보여준다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에서 제공하는 여러 가지의 부도체성 지지대의 단면구조를 보여준다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에서 제공하는 여러 가지의 부도체성 지지대의 평면구조를 보여준다.

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 스토퍼 및 부도체성 지지대가 적용되며, 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 배치되는 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 보여주고 있다.

아래의 기판이 제거된 다이아프램(Diaphragm)에는 일정두께와 폭을 갖는 다수의 콤핑거(Comb Finger, 이를 유동콤핑거(Moving Comb Finger)라고 지칭한다)가 부착되어 있다.

한편, 단부가 기판에 고정된 지지대는 평면적으로 유동콤핑거 양측에 배치된 일정두께와 폭을 갖는 콤핑거(이를 고정콤핑거(Stationary Comb Finger)라고 지칭한다)를 지지하고 있다.

이때, 지지대와 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 수직방향으로 편이(Deviation)되어 중첩되어 있다. 다이아프램과 유동콤핑거와 고정콤핑거는 전도체로 이루어지므로 유동콤핑거와 고정콤핑거 간에는 정전용량(Capacitance)이 존재하게 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, 이 정전용량의 변화를 측정하면 음파의 세기가 구해진다.

한편, 도 1에는 기판에 고정되어 있는 다이아프램 엣지 안쪽으로 일정폭을 가지며 원형을 이루면서 다이아프램 내부를 둘러싸고 있는 스토퍼가 형성되어 있다.

상기 스토퍼는 또 다른 폭을 갖고 동일한 형상으로 형성되어 있는 지지대와 다이아프램 사이에서 다이아프램과 지지대를 연결하고 있으며, 희생층 식각시에 손상되지 않는 부도체, 예컨대 질화 실리콘으로 이루어져 있다.

따라서, 유동콤핑거 및 고정 콤핑거, 다이아프램 및 지지대를 공중에 릴리스(Release)하기 위하여 MEMS 마이크로폰 제작시 실행되는 희생층 식각에 있어서, 측면으로의 희생층 식각은 스토퍼에서 멈추게 된다.

그러므로 평면적으로 다이아프램의 엣지를 스토퍼에 일치시키거나 약간 외부로 돌출되도록 함으로써 기판이 제거되지 않은 영역 상의 다이아프램의 면적, 즉 기판 상의 다이아프램 면적을 최소로 할 수 있다.

결국, 스토퍼를 적용함으로써 기판을 통한 다이아프램의 기생용량을 최소로 할 수 있게 되는 것이다.

도 1에서 스토퍼는 1줄이 형성되어 있지만, 설계에 따라 2줄 이상 형성하는 것도 가능하다.

또, 도 1에서는 스토퍼가 원형으로 형성되어 있지만, 다이아프램의 형상에 따라 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형 등의 형상으로도 형성할 수 있음은 당연하다.

또 한편, 통상적으로 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대는 전도성을 가지므로 기판에 고정된 부분은 기판을 통하여 기생용량을 발생시키게 된다.

특히, 지지대의 개수가 많거나 기판에 고정된 길이가 클수록 이러한 기생용량은 더욱 크게 되는 문제를 발생하게 된다.

이러한 문제를 최소화 하기 위하여, 본 발명에서는 유동콤핑거와 고정콤핑거간의 정전용량을 측정하기 위한 일부의 지지대를 제외한 나머지 지지대를 부도체화 하는 방법을 제안한다.

즉, 일정 갯수의 전도성 지지대를 제외한 나머지 전도성 지지대의 중간 또는 대부분을 희생층 제거시에 손상되지 않는 부도체, 예컨대 질화 실리콘으로 이루어진 부도체성 지지대로 대체함으로써 지지대에 의한 기생용량 발생을 최소화 하고자 한다.

예컨대, 도 1에는 16개의 지지대가 도시되어 있는데, 이 중에서 신호 인출을 위한 1개는 전도성 지지대로 형성하고 나머지 15개는 부도체성 지지대로 형성하였다. 따라서, 지지대에 의한 기생용량은 이론적으로 16개의 지지대가 모두 전도성 지지대로 형성되는 경우에 비하여 1/16로 감소하게 되는 것이다.

유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 정전용량은 1개의 전도성 지지대와 다이아프램간에서 측정하게 된다.

설계 및 공정에 따라 유동콤핑거는 다이아프램 상부에 부착시킬 수도 있고, 다이아프램 하부에 부착시킬 수도 있다.

또, 유동콤핑거를 다이아프램 상하에 동시에 형성할 수도 있다.

따라서, 고정콤핑거와 지지대는 다이아프램 상측에 형성할 수도 있고, 다이아프램 하측에 형성할 수도 있다. 또, 다이아프램 상하측에 고정콤핑거와 지지대를 동시에 형성할 수도 있다.

도 2에는 이와 같은 다양한 형태의 도 1의 단면 A-A'에 대한 구조가 예시되어 있다.

설명에 앞서, 도 2와 도 3을 참조하여 나타낸 단면구조를 형성하기 위한 방법은, 본 출원인이 출원한 출원번호 제10-2018-0064841호에 기재된 방법을 채용할 수 있는데, 예를 들면, 기판에 보호막 형성 후, 보호막 상측으로 전도성이 있는 탄성층 패턴을 형성한다. 이러한 탄성층은 도 2의 다이아프램이 된다.

이후, 다수층의 희생층을 충진하고, 충진된 희생층에 전도체를 형성하여 스토퍼, 콤핑거, 지지대 등을 구현할 수 있도록 한다.

구체적으로는, 탄성층의 상측과 보호막의 상측에 제1 번째 희생층을 충진하고, 제1 번째 전도체 형성을 통해 스토퍼를 형성하고, 제1 번째 희생층의 상측으로 제2 번째 희생층을 충진한 후, 제2 번째 희생층에서부터 제1 번째 희생층까지 제2 번째 전도체를 형성하여 유동콤핑거를 형성하며, 제3 번째 희생층을 제2 번째 희생층 상측으로 충진한 뒤, 제3 번째 희생층에서부터 제2 번째 희생층 일부까지 제3 번째 전도체를 형성하여 지지대 및 고정콤핑거를 형성하는 것이다.

이러한 희생층과 전도체 형성에 대해서는 상술된 출원번호 제10-2018-0064841호에 명확히 기술되어 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.

다만, 설계 조건에 따라서는, 각 지지대의 편이된 방향을 기준으로 이의 상측 또는 하측에는 별도의 희생층 충진을 통해 전도체를 형성하여 이루어짐으로써, 지지대의 형태가 '┌┐' 또는 '└┘'의 단면 형상을 갖도록 구성할 수도 있을 것이다.

이는 본 출원인이 출원한 출원번호 제10-2018-0052223호에 기재된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰이 그 예이다.

도 2의 (가)는 유동콤핑거가 다이아프램 상부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 상측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 지지대 사이에는 스토퍼가 형성되어 있는데, 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

도 2의 (나)는 유동콤핑거가 다이아프램 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 하측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 지지대 사이에는 스토퍼가 형성되어 있는데, 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

도 2의 (다)는 유동콤핑거가 다이아프램 상부와 하부에 형성되고 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 상측 및 하측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 상부 및 하부 지지대 사이에는 상부 및 하부 스토퍼가 형성되어 있는데, 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호 인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

한편, 다이아프램이 제거된 영역에 유동콤핑거가 형성되어 단부가 다이아프램에 부착되어 있고, 평면적으로 유동콤핑거의 사이에 고정콤핑거가 일정간격으로 배치되는 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰이 예시될 수 있다.

도 3에는 스토퍼 및 부도체성 지지대가 적용된, 이와 같은 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러가지 단면 구조가 예시되어 있다.

도 3의 (가)는 유동콤핑거가 다이아프램 상부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 상측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 지지대 사이에는 스토퍼가 형성되어 있는데, 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

도 3의 (나)는 유동콤핑거가 다이아프램 하부에 형성되고, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 하측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 지지대 사이에는 스토퍼가 형성되어 있는데, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다. 따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

도 3의 (다)는 유동콤핑거가 다이아프램 상부와 하부에 형성되고 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거에 비하여 상측 및 하측으로 편이된 형태이다.

다이아프램과 상부 및 하부 지지대 사이에는 상부 및 하부 스토퍼가 형성되어 있는데, 스토퍼가 형성되어 있는 지지대 부분은 일정폭을 가지면서 스토퍼와 동일하게 지면의 수직방향으로 형성되어 향하고 있으므로, 평면적으로 지지대와 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 희생층은 제거되어 유동콤핑거 및 고정콤핑거, 그리고 스토퍼 내부의 다이아프램과 지지대는 릴리스 되지만, 스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다.

스토퍼 외부의 희생층은 식각되지 않고 남아 있게 된다. 따라서, 다이아프램은 최소면적으로 기판에 고정할 수 있게 되고, 결국, 스토퍼에 의하여 다이아프램에 의한 기생용량을 최소로 할 수 있게 된다.

또, 고정콤핑거를 지지하고 있는 지지대의 일정 갯수는 신호인출을 위하여 전도성 지지대로 형성하지만, 나머지는 부도체성 지지대로 형성함으로써 지지대에 의한 기생용량을 최소로 하게 된다.

한편, 도 1 내지 도 3에서는 도시되지 않았지만 필요에 따라서 다이아프램의 강성을 보강하기 위하여 유동콤핑거와 동일공정으로 형성되는 스티프너가 다이아프램에 추가적으로 부착 될 수 있다.

또, 도시된 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은 다이아프램의 엣지가 기판에 고정된 엣지 클램프드 다이아프램(Edge Clamped Diaphragm)으로 예시하였으나, 엣지가 기판에서 분리된 엣지 릴리스드 다이아프램(Edge Released Diaphragm)에도 부도체성 지지대를 적용할 수 있음은 자명한다.

엣지 릴리스드 다이아프램이 적용되는 경우에는 다이아프램의 엣지와 다이아프램을 지지하는 스프링 구조 등은 평면적으로 스토퍼가 둘러싸고 있는 내부의 영역에서 형성되어, 희생층 식각시에 릴리스 되어야 함은 또한 자명하다.

도 4에는 본 발명에서 제공하는 스토퍼의 여러 가지 단면구조를 보여주고 있다.

도 4의 (가)는 도 2 및 도 3에서 예시된 것으로서 다이아프램과 지지대사이에서 희생층을 관통하여 스토퍼가 형성되어 있는 형태이다.

도 4의 (가)에서는 지지대가 다이아프램을 기준으로 하측으로 편이된 구조로 예시하였으나, 지지대가 다이아프램을 기준으로 상측으로 편이된 구조에서도 이 형태는 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다.

도 4의 (나)는 스토퍼가 다이아프램과 희생층을 관통하여 지지대에 연결되고 다이아프램 및 희생층의 일부영역을 덮고 있는 형태이다.

도 4의 (다)는 스토퍼가 희생층을 관통하여 지지대에 연결되고 희생층의 일부 영역을 덮고 있으며, 스토퍼 상에서 다이아프램이 겹쳐서 덮고 있는 형태이다.

본 발명에서는 스토퍼의 두께는 통상적으로 1㎛~10㎛ 범위이고 폭은 0.2~5㎛ 범위로 검토하였다. 또, 도 4의 (나)와 도 4의 (다)에서 예시된 다이아프램 및 희생층을 덮고 있는 스토퍼 층의 두께는 0.1~2㎛ 범위로 검토하였다.

또, 스토퍼의 재질로서는 기계적 특성이 우수하고 절연성이 우수하며, 희생층 식각시에 내화학성이 우수한 질화 실리콘(Silicon Nitride), 탄화 실리콘(Silicon Carbide), 산화 알루미늄(Aluminum Oxide), 질화 알루미늄(Aluminum Nitride)을 검토하였다.

한편, 도 5a 내지 도 5b에는 본 발명에서 제공하는 부도체성 지지대의 여러 가지 단면구조를 보여주고 있다.

도 5a의 (가)는 도 2 및 도 3에서 예시된 것으로서 전도성 지지대가 부도체성 지지대와 연결되고, 부도체성 지지대가 기판까지 연장되어 고정되는 형태이다.

부도체성 지지대의 길이는 10~200㎛범위가 될 수 있으며, 두께는 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있다.

예를 들면, 전도성 지지대의 두께가 5㎛일때 부도체성 지지대의 두께는 2~8㎛ 범위가 될 수 있다.

도 5a의 (나)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 사이를 부도체성 지지대로 충진한 형태이다.

부도체성 지지대의 길이는 0.5~100㎛범위가 될 수 있으며, 부도체성 지지대의 두께는 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있다.

예를 들면, 전도성 지지대의 두께가 5㎛일때 부도체성 지지대의 두께는 2~8㎛ 범위가 될 수 있다.

도 5a의 (다)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 상부를 부도체성 지지대로 연결한 형태이다.

부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이고, 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~20㎛가 될 수 있다.

도 5a의 (라)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 하부를 부도체성 지지대로 연결한 형태이다.

부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이고, 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~20㎛가 될 수 있다.

도 5b의 (마)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 상부와 하부를 부도체성 지지대로 연결한 형태이다.

상부 및 하부의 각 부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이고, 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~20㎛가 될 수 있다.

도 5b의 (바)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 사이를 상부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대의 상부를 부도체성 지지대가 덮고 있는 형태이다.

부도체성 지지대가 충진되는 깊이는 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있으며, 전도성 지지대의 상부를 덮고 있는 부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이다. 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~100㎛가 될 수 있다.

도 5b의 (사)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 사이를 하부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대의 하부를 부도체성 지지대가 받치고 있는 형태이다.

부도체성 지지대가 충진되는 높이는 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있으며, 전도성 지지대의 하부를 받치고 있는 부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이다. 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~100㎛가 될 수 있다.

도 5b의 (아)는 전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 사이를 하부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대의 상부와 하부를 부도체성 지지대가 덮고 있는 형태이다.

부도체성 지지대가 충진되는 높이는 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있으며, 전도성 지지대의 상부와 하부를 덮고 있는 부도체성 지지대의 두께는 1~5㎛이다. 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~100㎛가 될 수 있다.

또 한편, 도 6a 내지 도 6c에는 부도체성 지지대의 여러 가지 평면구조를 보여주고 있다.

도 6a의 (가)는 전도성 지지대와 부도체성 지지대의 끝이 맞대어 연결되는 형태이다.

부도체성 지지대의 폭은 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있다. 예를 들면, 전도성 지지대의 폭이 2㎛일때 부도체성 지지대의 폭은 1~4㎛ 범위가 될 수 있다. 부도체성 지지대의 길이는 10~200㎛범위가 될 수 있다.

도 6a의 (나)는 전도성 지지대를 부도체성 지지대가 끝을 감싸면서 연결되는 형태이다.

이와 같이 끝을 감쌈으로써 연결부를 더욱 강하게 할 수 있다는 장점이 있다. 전도성 지지대와 부도체성 지지대가 맞닿은 폭은 전도성 지지대의 폭인 1~10㎛범위이며, 전도성 지지대를 감싸는 부분은 폭 0.5~5㎛, 길이 1~20㎛ 범위가 될 수 있다. 부도체성 지지대의 전체 길이는 10~200㎛범위가 될 수 있다.

도 6a의 (다)는 부도체성 지지대를 전도성 지지대가 끝을 감싸면서 연결되는 형태이다.

이와 같이 끝을 감쌈으로써 연결부를 더욱 강하게 할 수 있다는 장점이 있다. 전도성 지지대와 부도체성 지지대가 맞닿은 폭은 부도체성 지지대의 폭인 1~10㎛범위이며, 부도체성 지지대를 감싸는 부분은 폭 0.5~5㎛, 길이 1~20㎛ 범위가 될 수 있다. 부도체성 지지대의 전체 길이는 10~200㎛범위가 될 수 있다.

도 6a의 (라)는 끊어진 전도성 지지대 사이를 부도체성 지지대가 끝을 맞대어 연결한 형태이다.

부도체성 지지대의 폭은 전도성 지지대와 같거나 또는 작거나 더 클 수 있다. 예를 들면, 전도성 지지대의 폭이 2㎛일때 부도체성 지지대의 폭은 1~4㎛ 범위가 될 수 있다. 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~100㎛가 될 수 있다.

도 6b의 (마)는 끊어진 전도성 지지대의 양끝을 감싸면서 부도체성 지지대가 연결된 형태이다.

이와 같이 양끝을 감쌈으로써 연결부를 더욱 강하게 할 수 있다는 장점이 있다. 전도성 지지대와 부도체성 지지대가 맞닿은 폭은 전도성 지지대의 폭인 1~10㎛범위이며, 전도성 지지대를 감싸는 부분은 폭 0.5~5㎛, 길이 1~20㎛ 범위가 될 수 있다. 끊어진 전도성 지지대의 간격은 0.5~100㎛가 될 수 있다.

도 6b의 (바)는 끊어진 전도성 지지대가 부도체성 지지대의 양끝을 감싸면서 연결된 형태이다.

이와 같이 끝을 감쌈으로써 연결부를 더욱 강하게 할 수 있다는 장점이 있다. 전도성 지지대와 부도체성 지지대가 맞닿은 폭은 부도체성 지지대의 폭인 1~10㎛범위이며, 부도체성 지지대를 감싸는 부분은 폭 0.5~5㎛, 길이 1~20㎛ 범위가 될 수 있다. 부도체성 지지대의 길이는 1~100㎛가 될 수 있다.

도 6b의 (사)는 끊어진 2개의 전도성 지지대가 일정거리 떨어져서 겹쳐있고 그 사이를 부도체성 지지대가 연결된 형태이다. 전도성 지지대가 겹쳐진 길이는 5~20㎛범위이며, 전도성 지지대간의 간격은 5~20㎛ 범위가 될 수 있다.

도 6c의 (아)는 끊어진 전도성 지지대 사이 및 주변에 다수의 독립된 전도성 지지대가 형성되어 있고, 이들을 부도체성 지지대로 연결한 형태이다.

이와 같은 형태는 부도체성 지지대를 CMP(Chemical Mechanical Polishing)방법으로 형성할 때, 독립된 전도성 지지대가 정지층(Stop Layer)으로 작용하여 부도체성 지지대를 더욱 평탄하게 형성할 수 있게 해주는 역할을 한다.

도 6a 내지 도 6c에서 예시된 전도성 지지대와 부도체성 지지대가 연결되는 면은 직선으로 도시하였으나, 필요에 따라서 곡선으로 형성하는 것도 가능하다.

특히, 연결되는 면에 요철을 형성하거나 도 6c의 (자)와 같이 맞물리는 형태로 하게 되면 연결부가 더욱 강하게 될 수 있다.

또, 각 전도성 지지대와 부도체성 지지대는 이웃하는 전도성 지지대 및 부도체성 지지대와 서로 연결함으로써 강성을 더욱 증가시킬 수 있다.

또, 단일 전도성 지지대의 여러 위치를 끊어 부도체성 지지대를 적용할 수도 있다.

본 발명에서는 전도성 지지대 및 부도체성 지지대의 두께는 통상적으로 2㎛~20㎛ 범위이고 폭은 1~10㎛이며, 길이는 0.5~200㎛ 범위로 검토하였다.

또, 전도성 지지대의 재질로서 도핑된 폴리실리콘 또는 도핑된 비정질실리콘 또는 알루미늄 또는 티타늄 또는 마그네슘 또는 니켈 또는 텅스텐 또는 구리 등의 전도체를 검토하였다.

또한, 부도체성 지지대의 재질로서는 기계적 특성이 우수하고 절연성이 우수하며, 희생층 식각시에 내화학성이 우수한 질화 실리콘(Silicon Nitride), 탄화 실리콘(Silicon Carbide), 산화 알루미늄(Al㎛in㎛ Oxide), 질화 알루미늄(Al㎛in㎛ Nitride)을 검토하였다.

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 (20)

1. 다이아프램에 다수의 유동콤핑거가 형성되고, 단면적으로 유동콤핑거와 중첩되는 한편 유동콤핑거로부터 수직으로 편이된 다수의 고정콤핑거가 형성되며, 단부가 기판에 부착되고 상기 고정콤핑거를 지지하고 있는 다수의 지지대로 구성되어 있는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 있어서,
   평면적으로 일정폭을 가지고 다이아프램 엣지 내측으로 다이아프램을 둘러싸고 있는 스토퍼가 형성되어 단면적으로는 상기 지지대와 다이아프램을 연결하고 있고,
   상기 고정콤핑거는 평면적으로 유동콤핑거의 양측과 유동콤핑거의 사이 중 어느 하나의 위치에 일정 간격을 갖고 배치되며,
   상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위하여 유동콤핑거와 동일 공정으로 형성되는 스티프너가 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
2. 다이아프램에 다수의 유동콤핑거가 형성되고, 단면적으로 유동콤핑거와 중첩되는 한편 유동콤핑거로부터 수직으로 편이된 다수의 고정콤핑거가 형성되며, 단부가 기판에 부착되고 상기 고정콤핑거를 지지하고 있는 다수의 지지대로 구성되어 있는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 있어서,
   상기 다수의 지지대 중,
   1개 이상의 지지대는 상기 고정콤핑거로부터 단부까지 전도성을 갖는 전도성 지지대로 이루어지고, 나머지 지지대는 부도체성 지지대로 이루어져 절연되며,
   상기 고정콤핑거는 평면적으로 유동콤핑거의 양측과 유동콤핑거의 사이 중 어느 하나의 위치에 일정 간격을 갖고 배치되며,
   상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위하여 유동콤핑거와 동일 공정으로 형성되는 스티프너가 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
3. 다이아프램에 다수의 유동콤핑거가 형성되고, 단면적으로 유동콤핑거와 중첩되는 한편 유동콤핑거로부터 수직으로 편이된 다수의 고정콤핑거가 형성되며, 단부가 기판에 부착되고 상기 고정콤핑거를 지지하고 있는 다수의 지지대로 구성되어 있는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에 있어서,
   평면적으로 일정폭을 가지고 다이아프램 엣지 내측으로 둘러싸고 있는 스토퍼가 형성되어 단면적으로는 상기 지지대와 다이아프램을 연결하고 있으며,
   상기 다수의 지지대 중,
   1개 이상의 지지대는 상기 고정콤핑거로부터 단부까지 전도성을 갖는 전도성 지지대로 이루어지고, 나머지 지지대는 부도체성 지지대로 이루어져 절연되며,
   상기 고정콤핑거는 평면적으로 유동콤핑거의 양측과 유동콤핑거의 사이 중 어느 하나의 위치에 일정 간격을 갖고 배치되며,
   상기 다이아프램에는 다이아프램의 강성을 보강하기 위하여 유동콤핑거와 동일 공정으로 형성되는 스티프너가 부착되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
4. 청구항 1 내지 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
   상기 다이아프램은 엣지 클램프드 다이아프램 또는 엣지 릴리스드 다이아프램인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1 내지 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
   상기 고정콤핑거 및 지지대는 유동콤핑거로부터 상측으로 편이되거나, 하측으로 편이되거나, 상측과 하측으로 편이된 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
8. 청구항 1 또는 3에 있어서,
   상기 스토퍼는 다이아프램과 지지대 사이에서 희생층을 관통하여 다이아프램과 지지대를 연결하거나,
   다이아프램과 희생층을 관통하여 지지대에 연결되고 다이아프램 및 희생층의 일부영역을 덮고 있거나,
   희생층을 관통하여 지지대에 연결되는 동시에 희생층의 일부 영역을 덮고 있으며, 스토퍼를 다이아프램이 덮고 있는 단면구조를 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
9. 청구항 1 또는 3에 있어서,
   상기 스토퍼의 개수는 1개 이상이며, 평면적으로 원형, 정사각형, 직사각형, 육각형 또는 팔각형인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 희생층 및 다이아프램을 관통하고 있는 스토퍼의 두께는 1㎛~10㎛이고 폭은 0.2~5㎛이며, 다이아프램 상하 및 희생층 상의 스토퍼 층의 두께는 0.1~2㎛인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
11. 청구항 1 또는 3에 있어서,
    상기 스토퍼는 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
12. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 전도성 지지대는 끊어지고, 기판까지 연장되어 고정되는 부도체성 지지대와 연결되거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 사이가 부도체성 지지대로 충진되거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 상부가 부도체성 지지대로 연결되거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 하부가 부도체성 지지대로 연결되거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 그 상부와 하부가 부도체성 지지대로 연결되거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 전도성 지지대사이를 상부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대 상부를 부도체성 지지대로 덮거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 전도성 지지대사이를 하부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대 하부를 부도체성 지지대가 받치고 있거나,
    전도성 지지대가 일정간격으로 끊어지고, 부도체성 지지대가 끊어진 전도성 지지대 사이를 하부로부터 충진하는 동시에 전도성 지지대 상부와 하부를 부도체성 지지대가 덮고 있는 단면구조를 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
13. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    끊어진 전도성 지지대를 부도체성 지지대가 끝이 맞대어져 연결되거나,
    끊어진 전도성 지지대를 부도체성 지지대가 끝을 감싸면서 연결되거나,
    끊어진 부도체성 지지대를 전도성 지지대가 끝을 감싸면서 연결되거나,
    일정간격으로 끊어진 전도성 지지대 사이를 부도체성 지지대가 끝을 맞대어 연결하거나,
    일정간격으로 끊어진 전도성 지지대의 양끝을 감싸면서 부도체성 지지대가 연결되거나,
    일정간격으로 끊어진 전도성 지지대가 부도체성 지지대의 양끝을 감싸면서 연결되거나,
    끊어진 2개의 전도성 지지대가 일정거리 떨어져서 겹쳐있고 그 사이를 부도체성 지지대가 연결거나,
    끊어진 전도성 지지대 사이 및 주변에 다수의 독립된 전도성 지지대가 형성되어 있고, 상기 끊어진 전도성 지지대와 독립된 전도성 지지대가 부도체성 지지대로 연결되는 평면구조를 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
14. 청구항 13에 있어서.
    전도성 지지대와 부도체성 지지대가 연결되는 면은 평면적으로 직선, 곡선, 요철면 또는 서로 맞물린 형태인 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
15. 청구항 13에 있어서,
    전도성 지지대 및 부도체성 지지대는 이웃하는 또 다른 전도성 지지대 및 부도체성 지지대와 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
16. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 부도체성 지지대는 두께가 2~20㎛이고 폭은 1~10㎛이며, 길이는 10~200㎛인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
17. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 전도성 지지대 및 부도체성 지지대가 다이아프램으로부터 수직방향으로 이격된 거리는 1~10㎛인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
18. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 전도성 지지대는 폴리실리콘, 비정질실리콘, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘, 니켈, 텅스텐 또는 구리 재질인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
19. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 부도체성 지지대는 질화 실리콘, 탄화 실리콘, 산화 알루미늄 또는 질화 알루미늄 재질인 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    
20. 청구항 1 내지 3 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    지지대는,
    각각 편이된 방향을 기준으로, 이의 상측 또는 하측으로 연장되는 구조를 갖음에 따라, 그 형태가 '┌┐' 또는 '└┘'의 단면 형상을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는, MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
    

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