KR102052828B1 - Mems 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 mems 캐패시티브 마이크로폰 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 마이크로폰은 다이아프램에 부착된 유동콤핑거와 지지대에 부착된 고정콤핑거가 자동정렬되므로 감지면적을 크게 하고 유동콤핑거와 고정콤핑거간의 간격을 작고 균일하게 형성할 수 있다. 따라서, 신호대 잡음비가 큰 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 구현할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 콤감지부에서 음파에 의한 정전용량 변화를 감지하는 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 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.
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 마이크로폰의 감도를 향상하고 잡음을 낮추기 위해서는 정전용량 값이 커야하며, 동일한 다이아프램의 변이에서의 정전용량의 변동량이 커야한다.
그러므로, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 좁게 하고, 유동콤핑거와 고정콤핑거가 마주보는 면적 즉, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께를 크게 하는 것이 중요하다.
통상적으로 유동콤핑거와 고정콤핑거는 실리콘기판 등의 전도체를 RIE(Reactive Ion Etching)등의 건식식각(Dry Etching)법을 이용하여 가공하는 방법, 또는 실리콘 산화막 등의 유전체를 RIE를 이용하여 트렌치를 형성한 후에 트렌치에 채운 전도체로 형성하는 방법이 존재한다.
그러나, 통상적인 RIE식각 방법으로는 종횡비(Aspect Ratio)에 한계가 있으므로 깊은 식각이 어려워 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께를 크게할 수 없고, 서로 이웃하는 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 1㎛ 이내로 작게 할 수 없으며, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 깊이에 따라 균일하게 형성하기가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께를 크게 하고, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격이 작고 균일하여 신호대 잡음비가 우수한 콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제공에 있다.
본 발명의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰에서는 유동콤핑거에 고정콤핑거를 자동정렬하거나 또는 고정콤핑거에 유동콤핑거를 자동정렬(Self-Alignment)하며, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 분리막의 두께로 조절하는 공정을 제공한다. 따라서, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께가 크며, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격이 작고 균일한 콤센싱 방식의 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 구현한다.
본 발명에 따른 EMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법 및 상기 제조방법으로 제조된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰은, 유동콤핑거와 고정콤핑거간의 정전용량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 감도를 향상하므로 신호 대 잡음비가 우수한 마이크로폰을 제공하게 된다.
도 1은 본 발명에서 제공하는, 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 제공하는, 다이아프램에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러 가지 단면구조를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 유동콤핑거가 다이아프램의 상부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 4a 내지 도 4b는 희생층의 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 5a 내지 도 5b는 희생층의 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 6a 내지 도 6c는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 7은 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 8a 내지 도 8c는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 9a 내지 도 9b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 10a 내지 도 10b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 11a 내지 도 11b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 12a 내지 도 12b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 13은 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 14는 본 발명에서 제공하는, 평면적으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명에서 제공하는, 다이아프램이 제거된 영역에 유동콤핑거가 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러 가지 단면구조를 나타낸 것이다.
도 16a 내지 도 16c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 17a 내지 도 17c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 18은 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측 및 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 19a 내지 도 19c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 20은 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측 및 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 2는 본 발명에서 제공하는, 다이아프램에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러 가지 단면구조를 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 유동콤핑거가 다이아프램의 상부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 4a 내지 도 4b는 희생층의 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 5a 내지 도 5b는 희생층의 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 6a 내지 도 6c는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 7은 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 8a 내지 도 8c는 유동콤핑거가 다이아프램의 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 9a 내지 도 9b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 10a 내지 도 10b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 11a 내지 도 11b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 12a 내지 도 12b는 기판에 형성된 트렌치에 충진된 제 1전도체에 제 2 전도체를 자동정렬하여 형성하는 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 13은 유동콤핑거가 다이아프램의 상부 및 하부에 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 14는 본 발명에서 제공하는, 평면적으로 다이아프램이 제거된 영역에 형성된 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명에서 제공하는, 다이아프램이 제거된 영역에 유동콤핑거가 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치된 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 여러 가지 단면구조를 나타낸 것이다.
도 16a 내지 도 16c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 17a 내지 도 17c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 18은 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측 및 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제작공정을 보여주고 있다.
도 19a 내지 도 19c는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
도 20은 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 상측 및 하측에 형성되고 평면적으로 유동콤핑거 사이에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되어 있으며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거의 상하측에 쌍으로 형성된 본 발명의 자동정렬 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 또 다른 제작공정을 보여주고 있다.
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 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 배치되는 콤센싱 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.
다이아프램 상에는 일정두께와 폭을 갖는 다수의 콤핑거(Comb Finger, 이를 유동콤핑거(Moving Comb Finger)라고 지칭한다)가 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 거리로 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 16개의 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. 만약, 스티프너와 지지대가 평면적으로 교차되는 경우에는 본 출원인에 의해 출원중인 출원번호 제10-2018-0052223호에 예시한 바와 같이 고정콤핑거 상측 또는 하측에 별도의 지지대를 더 형성할 수 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 되며, 별도의 벤트홀(Vent Hole, 미도시)이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 1에서 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.
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 상부에 부착하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 상측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상부에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
도 2의 (나)는 유동콤핑거를 다이아프램의 하부에 부착하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 하측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 하부에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
도 2의 (다)는 유동콤핑거를 다이아프램의 상부와 하부에 부착하고, 고정콤핑거를 다이아프램의 상측과 하측에 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 동일한 거리로 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
하부 지지대는 하부 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 하부 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상부 및 하부에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 상부 및 하부 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 상부 및 하부 스티프너가 부착될 수 있다.
이 구조에서는 상부 유동콤핑거와 상부 고정콤핑거 간의 정전용량변화와 하부 유동콤핑거와 하부 고정콤핑거 간의 정전용량변화가 반대로 발생하므로 차동 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
유동콤핑거 및 고정콤핑거는 두께가 크며, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 균일하면서도 좁을수록 정전용량이 크게 되어 바람직하다.
이와 같이, 유동콤핑거 및 고정콤핑거의 두께를 크게 할 뿐만 아니라 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 일정하면서 좁게 형성하기 위한 제작방법을 도 2에서 도 13까지의 예시를 통해 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 다이아프램 상부에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
먼저, 도 3a의 (가)와 같이 기판에 보호막을 형성한 후에 전도성이 있는 탄성층 패턴을 형성한다. 탄성층 패턴은 다이아프램과 윙과 지지스프링을 이루게 된다.
본 발명에서는 기판으로서 (100)면의 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 보호막으로서 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였으며, 탄성층으로서는 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
그 다음 도 3a의 (나)와 같이 제 1희생층을 증착하고 이를 식각하여 제 1트렌치를 형성한 후, 도 3a의 (다)와 같이 제 1트렌치에 평탄하게 충진된 제 1전도체를 형성한다.
이와 같이 트렌치에 전도체를 평탄하게 충진하는 방법으로는 여러 가지가 있다.
USG(Undoped Silicon oxide Glass), PSG(Phosphosilicate Glass), BPSG(Borophosphosilicate Glass), SOG(Spin On Glass), TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)중에서 선택된 물질로 형성된 희생층을 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 또는 구리 등의 전도층을 증착한 후, CMP(Chemical Mechanical Polishing)방법으로 연마하여 트렌치에 전도체를 평탄하게 충진할 수 있다(이를 “방법 1”이라고 칭한다).
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(이를 “방법 2”라고 칭한다).
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(이를 “방법 3”이라고 칭한다).
본 발명에서는 "방법 1"을 사용하였으며, 제 1희생층으로서 4㎛ 두께의 USG를 사용하고 제 1전도체는 폴리실리콘으로 형성하였다.
그 다음 도 3b의 (라)와 같이 제 2희생층으로서 1㎛ 두께의 USG를 증착하고, 도 3b의 (마)와 같이 제 1희생층의 3㎛까지 깊이까지 제 1전도체에 자동정렬된 제 2트렌치를 형성한다.
그 다음, 도 3b의 (바)와 같이 USG재질의 1㎛ 두께의 분리막을 형성한 후, 도 3c의 (사)와 같이 제 2전도체를 “방법 1”을 사용하여 폴리 실리콘으로 형성하였다(도 3b의 (마) 및 (바)와, 도 3c의 (사)의 자동정렬 공정은 도 4 및 도 5에서 자세히 설명한다).
그 다음, 도 3c의 (아)와 같이 기판밑면과 보호막을 순차적으로 식각하였다.
마지막으로 도 3c의 (자)와 같이 각 희생층과 분리막을 제거하면 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상부에 부착된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 상부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 4a 내지 와 도 5b는 도 3b의 (마) 및 (바)와, 도 3c의 (사)공정을 자세하게 나타낸 것이다.
도 4a의 (가) 및 도 4a의 (나)와 같이 제 2트렌치 패턴이 제 1전도체에 중첩되도록 하여 제 1희생층 및 제 2희생층을 RIE방법으로 식각하면, 제 1전도체는 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1전도체로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬(Self-Alignment)된다.
그 다음, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)공정을 사용하여 분리막을 증착하면 도 4b의 (다)와 같이 제 2트렌치의 내부의 모든 면과 제 2희생층위에는 분리막이 형성된다.
마지막으로, 도 4b의 (라)와 같이 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3b의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 제 1전도체와 제 2전도체는 분리막의 두께로 분리되고, 결국 분리막 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성되는 것이다.
분리막의 재질로서는 USG, PSG, BPSG, TEOS 중에서 선택될 수 있고 두께는 0.1㎛~3㎛범위에서 형성할 수 있다.
도 5a의 (가) 및 도 5a의 (나)에서도 제 2트렌치 패턴이 폴리 실리콘으로 이루어진 제 1전도체에 중첩되도록 하여 제 1희생층 및 제 2희생층을 RIE방법으로 식각하면, 제 1전도체는 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1전도체로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬된다. 그 다음, 열산화법(Thermal Oxidation)을 이용하여 산화를 하게 되면, 도 5b의 (다)와 같이 제 1전도체의 노출된 부분에는 실리콘 산화막으로 이루어진 분리막이 성장되는 반면, 제 1희생층 및 제 2희생층에는 분리막이 성장되지 않는다.
통상적으로 분리막으로서의 실리콘 산화막은 0.1㎛~1㎛범위에서 성장시킬 수 있다.
마지막으로, 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 도 5b의 (다)와 같이 제 1전도체와 제 2전도체는 분리막의 두께로 분리되고, 결국 분리막 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성된다.
이때, 성장된 분리막의 두께의 약 44%의 두께가 제 1전도체에서 소모되어 제 1전도체의 폭은 감소하게 된다.
도 4a 내지 도 5b에서 제 2트렌치 패턴이 제 1전도체에 중첩되지 않으면, 제 1전도체 사이의 제 1희생층이 완전히 식각되지 않을 수 있게 되고, 결국 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격이 불균일해 질 수 있다.
따라서, 제 1전도체 폭의 1/2 이하 크기에서 마스크 정렬오차를 고려하여 제 2트렌치 패턴을 제 1전도체와 중첩시키는 것이 중요하며, 통상적으로 0.1㎛~1㎛ 범위에서 중첩시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 5b의 공정을 사용함으로써 유동콤핑거와 고정콤핑거는 자동정렬되므로 트렌치 깊이를 크게 할 수 있게 되어 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 중첩면적을 크게 할 수 있다.
또, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 분리막의 두께로 결정되므로 1㎛이내의 작은 간격도 균일하게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
결국, 본 발명에서 제공하는 자동정렬 공정을 사용하면 정전용량이 크고 음파에 따른 정전용량 변화가 크게 되어 신호 대 잡음비가 큰 콤감지부를 형성할 수 있게 되는 것이다.
이는 기존의 유동콤핑거와 고정콤핑거를 동시에 형성하는 공정에서 종횡비(Aspect Ratio)의 한계로 인하여 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께가 작고, 그 간격이 크고 불균일 할 수 밖에 없는 문제를 해결하는 효과를 발생하는 것이다.
도 4a 및 도 4b에서 독립적으로 위치한 제 2전도체(이는 최종적으로 지지대 또는 스티프너가 된다)와 제 1전도체 전체는 측면이 일직선 형태이지만, 제 1전도체에 이웃한 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거 또는 고정콤핑거가 된다)의 측면은 상부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 5a 및 도 5b에서는 독립적으로 위치한 제 1전도체와 제 2전도체(이들은 최종적으로 지지대 또는 스티프너가 된다)는 측면이 일직선 형태이지만, 제 1전도체에 이웃한 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거 또는 고정콤핑거가 된다)의 측면은 상부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
반면, 제 2전도체에 이웃한 제 1전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거 또는 고정콤핑거가 된다)측면은 하부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 6a 내지 도 6c는 다이아프램 하부에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
도 6a의 (가)와 같이 기판상의 보호막 위의 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 "방법 1"을 사용하여 제 1희생층에 제 1전도체를 형성한다.
보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 제 1희생층은 4㎛ 두께의 USG, 제 1전도체는 폴리실리콘을 사용하였다.
그 다음, 도 6a의 (나)와 같이 제 2희생층을 형성한 후, 도 4 및 도 5에서 설명한 방법을 사용하여 도 6a의 (다)와, 도 6b의 (라) 및 (마) 공정을 수행함으로써 제 1전도체에 자동정렬된 제 2전도체를 형성한다.
이때, 제 2희생층은 1㎛두께의 USG, 제 2전도체는 폴리실리콘을 사용하였다. 또, 분리막은 1㎛두께의 USG로 형성하였다.
그 다음 도 6b의 (바)와 같이 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하여 탄성층 패턴을 형성 하였다.
도 6b의 (바)공정이 완료된 후, 도 6c의 (사)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막을 식각한다.
마지막으로 도 6c의 (아)와 같이 각 희생층과 분리막을 순차적으로 식각하면 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 하부에 부착된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 하부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 7은 다이아프램 상부 및 하부에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 다이아프램을 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
도 7의 (가)는 보호막 위에 각 희생층과 각 희생층에 충진된 각 전도체 및 탄성층, 그리고 각 분리막이 쌓여 있는 구조를 보여준다.
이러한 각 희생층 및 전도체는 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 "방법 1"의 공정을 사용하여 형성되었다.
보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 탄성층은 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다. 모든 희생층과 분리막의 재질은 USG로 하였고 모든 전도체는 폴리실리콘을 사용하였다.
제 1희생층의 두께는 4㎛, 제 2희생층의 두께는 1㎛, 제 3희생층의 두께는 4㎛, 제 4희생층의 두께는 1㎛, 각 분리막의 두께는 1㎛로 하였다.
도 4a 내지 도 5b에서 설명한 방법에 의해 제 2전도체는 제 1전도체에 자동정렬되며, 제 4전도체는 제 3전도체에 자동정렬된다.
도 7의 (가)공정이 완료된 후 도 7의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막, 각 희생층 및 각 분리막을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상부에 부착된 상부 유동콤핑거와 다이아프램의 하부에 부착된 하부 유동콤핑거가 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램의 상부 및 하부에 부착된 스티프너가 함께 형성되며, 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 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 제작공정에서는 생략하였다.
한편, 기판에 트렌치를 형성함으로써 제작공정에 사용되는 희생층의 개수를 줄일 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 기판에 트렌치를 형성하는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여주는데 다이아프램 하부에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있다.
도 8a의 (가)와 같이 실리콘 기판에 제 1트렌치를 형성하고, 도 8a의 (나)와 같이 열산화(Thermal Oxidation)를 하여 실리콘 산화막으로 이루어진 제 1분리막을 성장시킨다.
열산화 대신 USG, PSG, BPSG, TEOS중에서 선택된 재료를 증착하여 제 1분리막을 형성할 수도 있다.
제 1분리막의 두께는 통상적으로 0.5~1㎛두께가 제안된다.
그 다음 도 8a의 (다)와 같이 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 “방법 1”을 사용하여 제 1전도체를 형성한다.
본 발명에서는 제 1트렌치의 깊이를 6㎛로 하였고 제 1분리막을 1㎛두께로 형성하였으며, 제 1전도체는 폴리 실리콘으로 하였다.
그 다음, 도 8b의 (라)와 같이 제 1희생층을 증착한 후 제 1희생층, 제 1분리막 및 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 제 2트렌치를 형성하고, 제 2분리막을 형성하면 도 8b의 (마)와 같이 된다.
그 다음, 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 “방법 1”을 사용하여 도 8b의 (바)와 같이 제 1전도체에 자동정렬된 제 2전도체를 형성한다(도 8b의 (라), (마), (바)의 자동정렬 공정은 도 9a 에서 도 12b에 걸쳐 자세히 설명한다).
본 발명에서는 제 1 희생층으로서 1㎛ 두께의 USG를 사용하였고, 제 2트렌치는 6㎛ 깊이로 하였고 제 2분리막은 0.5㎛두께로 형성하였으며, 제 2전도체는 폴리실리콘으로 하였다.
도 8c의 (사)와 같이 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하여 탄성층 패턴을 형성한 후에, 도 8c의 (아)와 같이 밑면의 실리콘 기판을 식각하고, 도 8c의 (자)와 같이 각 희생층과 분리막을 순차적으로 식각하면 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 하부에 부착된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 하부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 9a에서 도 12b는 도 8a 내지 도 8c의 (라), (마), (바)공정을 자세하게 나타낸 것이다.
도 9a의 (가)와 같이 제 2트렌치 패턴이 제 1전도체 측면에 형성되어 있는 제 1분리막에 중첩되도록 하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 RIE방법으로 식각한 후, 도 9a의 (나)와 같이 RIE방법으로 순차적으로 실리콘 기판을 식각하면 제 1분리막은 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1분리막으로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬된다.
그 다음, LPCVD 또는 PECVD공정을 사용하여 제 2분리막을 증착하면 도 9b의 (다)와 같이 제 2트렌치의 내부의 모든 면과 제 1희생층 위에는 제 2분리막이 형성된다.
마지막으로 도 9b의 (라)와 같이 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 제 1전도체와 제 2전도체는 제 1분리막과 제 2분리막이 더해진 두께로 분리되고, 결국 제 1분리막과 제 2분리막이 더해진 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성되는 것이다.
제 2분리막의 재질로서는 USG, PSG, BPSG, TEOS 중에서 선택될 수 있고 두께는 0.1㎛~3㎛범위에서 형성할 수 있다.
도 10a의 (가)에서도 제 2트렌치 패턴이 폴리 실리콘으로 이루어진 제 1전도체 측면에 형성되어 있는 제 1분리막에 중첩되도록 하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 RIE방법으로 식각한 후, 도 10a의 (나)와 같이 RIE방법으로 순차적으로 실리콘 기판을 식각하면 제 1분리막은 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1분리막으로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬된다.
그 다음, 열산화법(Thermal Oxidation)을 이용하여 산화를 하게 되면, 도 10b의 (다)와 같이 제 2트렌치의 실리콘 기판이 노출된 부분에는 실리콘 산화막으로 이루어진 제 2분리막이 성장되는 반면, 제 1희생층에는 제 2분리막이 성장되지 않는다.
또, 제 1분리막의 두께가 1㎛이상으로 두꺼우면 제 1분리막에도 제 2분리막이 거의 성장이 되지 않는다.
통상적으로, 제 2분리막으로서의 실리콘 산화막은 0.1㎛~1㎛범위에서 성장시킬 수 있다. 마지막으로 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 도 10b의 (라)와 같이 제 1전도체와 제 2전도체는 제 1분리막의 두께로 분리되고, 결국, 제 1분리막 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성된다.
도 9a 및 도 10b에서 제 2트렌치 패턴이 제 1전도체 측면에 형성된 제 1분리막에 중첩되지 않으면, 제 1전도체 사이의 실리콘 기판이 완전히 식각되지 않을 수 있게 되어 잔류 실리콘이 남을 수 있다.
따라서, 제 1전도체 측면에 형성된 제 1분리막 두께의 1/2 이하에서 마스크 정렬오차를 고려하여 제 2트렌치 패턴을 제 1전도체와 중첩시키는 것이 중요하며, 통상적으로 0.1㎛~0.5㎛ 범위에서 중첩시킬 수 있다.
만약, 실리콘기판을 식각한 후, 후속적으로 잔류 실리콘을 비등방성 식각(Anisotropic Etching) 방법을 사용하여 제거한다면 도 11a 또는 도 12b에 예시된 것처럼 제 2트렌치패턴을 제 1전도체 측면에 형성된 제 1분리막에 중첩시키는 대신 오히려 이격되도록 할 수 있다.
도 11a의 (가)와 같이 제 2트렌치 패턴이 제 1전도체 측면에 형성된 제 1분리막으로부터 이격되도록 하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 RIE방법으로 식각한 후, 도 11a의 (나)와 같이 RIE방법으로 순차적으로 기판을 식각하면, 식각된 측면에는 실리콘이 남게 된다.
그 다음, 비등방성 실리콘 식각을 하게 되면 도 11a의 (다)와 같이 측면의 실리콘은 제거되는 반면, 제 1분리막은 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1분리막으로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬된다.
그 다음, LPCVD 또는 PECVD공정을 사용하여 제 2분리막을 증착하면 도 11b의 (라)와 같이 제 2트렌치의 내부의 모든 면과 제 1희생층 위에는 제 2분리막이 형성된다.
마지막으로, 도 11b의 (마)와 같이 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 제 1전도체와 제 2전도체는 제 1분리막과 제 2분리막이 더해진 두께로 분리되고, 결국 제 1분리막과 제 2분리막이 더해진 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성되는 것이다.
제 2분리막의 재질로서는 USG, PSG, BPSG, TEOS 중에서 선택될 수 있고 두께는 0.1㎛~3㎛범위에서 형성할 수 있다.
도 12a의 (가)에서도 제 2트렌치 패턴이 폴리 실리콘으로 이루어진 제 1전도체 측면에 형성된 제 1분리막으로부터 이격되도록 하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 RIE방법으로 식각한 후, 도 12a의 (나)와 같이 RIE방법으로 순차적으로 기판을 식각하면 식각된 측면에는 실리콘이 남게 된다.
그 다음, 비등방성 실리콘 식각을 하게 되면 도 12a의 (다)와 같이 측면의 실리콘은 제거되는 반면, 제 1분리막은 식각이 되지 않으므로 제 1전도체와 이웃한 제 2트렌치의 벽면은 제 1분리막으로 형성된다.
즉, 제 2트렌치는 제 1 전도체에 의하여 자동정렬된다.
그 다음, 열산화법(Thermal Oxidation)을 이용하여 산화를 하게 되면, 도 12b의 (라)와 같이 제 2트렌치의 실리콘 기판이 노출된 부분에는 실리콘 산화막으로 이루어진 제 2분리막이 성장되는 반면, 제 1희생층에는 제 2분리막이 성장되지 않는다.
또, 제 1분리막의 두께가 1㎛이상으로 두꺼우면 제 1분리막에도 제 2분리막이 거의 성장이 되지 않는다.
통상적으로 제 2분리막으로서의 실리콘 산화막은 0.1㎛~1㎛범위에서 성장시킬 수 있다.
마지막으로 제 2트렌치에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2전도체를 형성하면 도 12b의 (마)와 같이 제 1전도체와 제 2전도체는 제 1분리막의 두께로 분리되고, 결국 제 1분리막 두께의 간격을 갖는 유동콤핑거와 고정콤핑거가 형성된다.
도 9a 내지 도 12b의 공정을 사용함으로써 유동콤핑거와 고정콤핑거는 자동정렬되므로 트렌치 깊이를 크게 할 수 있게 되어 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 중첩면적을 크게 할 수 있다.
또, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 분리막의 두께로 결정되므로 1㎛이내의 작은 간격도 균일하게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
결국, 본 발명에서 제공하는 자동정렬 공정을 사용하면 정전용량이 크고 음파에 따른 정전용량 변화가 크게 되어 신호 대 잡음비가 큰 콤감지부를 형성할 수 있게 되는 것이다. 이는 기존의 유동콤핑거와 고정콤핑거를 동시에 형성하는 공정에서 종횡비(Aspect Ratio)의 한계로 인하여 유동콤핑거와 고정콤핑거의 두께가 작고 그 간격이 크고 불균일 할 수 밖에 없는 문제를 해결하는 효과를 발생하는 것이다.
도 9a 및 도 9b에서는 독립적으로 위치한 제 2전도체(이는 최종적으로 스티프너가 된다)와 제 1전도체 전부(이는 최종적으로 고정콤핑거와 지지대가 된다)는 측면이 일직선 형태이지만, 제 1전도체에 이웃한 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거가 된다)의 측면은 상부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 10a 및 도 10b에서는 제 1전도체 전부(이는 최종적으로 고정콤핑거와 지지대가 된다)는 측면이 일직선 형태이지만, 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거와 스티프너가 된다)의 측면은 상부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 11a 및 도 11b에서는 제 1전도체 전부(이는 최종적으로 고정콤핑거와 지지대가 된다)는 측면이 일직선 형태이지만, 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거와 스티프너가 된다)의 측면은 하부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 12a 및 도 12b에서는 제 1전도체 전부(이는 최종적으로 고정콤핑거와 지지대가 된다)는 측면이 일직선 형태이지만, 제 1전도체에 이웃한 제 2전도체(이는 최종적으로 유동콤핑거가 된다)의 측면은 하부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다. 독립적으로 위치한 제 2전도체(이는 최종적으로 스티프너가 된다)는 열산화에 의해 형성된 제 2분리막의 두께에 따라 측면의 모양이 달라지는데, 제 2분리막을 얇게 형성하면 하부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태로 되고, 제 2분리막을 두껍게 형성하면 상부가 넓어지는 방향으로 
형태 또는 
형태가 된다.
도 13은 다이아프램 상부 및 하부에 유동콤핑거가 부착되고 평면적으로 유동콤핑거 양측에 고정콤핑거가 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 다이아프램을 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰을 기판에 형성되는 트렌치를 이용하는 제작공정을 보여준다.
제 1분리막, 제 1전도체, 제 1희생층, 제 2분리막, 제 2전도체 및 탄성층 패턴을 도 8의 (가)에서 (사)까지의 공정으로 형성한 후에 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2희생층, 제 3희생층, 제 3전도체, 제 3분리막, 제 4전도체를 형성하면 도 13의 (가)와 같이 된다.
도 9a 에서 도 12b에 걸쳐 설명한 방법에 의해 제 2전도체는 제 1전도체에 자동정렬되며, 도 4a 및 도 5b에서 설명한 방법에 의해 제 4전도체는 제 3전도체에 자동정렬된다.
본 발명에서는 제 1분리막으로서 1㎛두께의 열산화하여 형성한 실리콘 산화막, 제 1전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 제 1희생층으로서 1㎛ 두께의 USG, 제 2분리막으로서 0.5㎛두께의 USG, 제 2전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 탄성층으로서 0.5㎛두께의 폴리실리콘, 제 2희생층으로서 6㎛ 두께의 USG, 제 3희생층으로서 1㎛두께의 USG, 제 3분리막으로서 1.5㎛두께의 USG, 제 3전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘, 제 4전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘으로 각각 형성하였다.
그 다음, 도 13의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막, 각 희생층 및 각 분리막을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상부에 부착된 상부 유동콤핑거와 다이아프램의 하부에 부착된 하부 유동콤핑거가 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램의 상부 및 하부에 부착된 스티프너가 함께 형성되며, 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평먼적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 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 제작공정에서는 생략하였다.
한편, 도 14는 본 발명에서 제공하는 다이아프램이 제거된 영역에 유동콤핑거가 형성되어 단부가 다이아프램에 부착되어 있고 평면적으로 유동콤핑거의 사이에 고정콤핑거가 일정간격으로 배치되는 콤센싱 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 평면구조를 보여주고 있다.
다이아프램의 구조는 기판으로부터 다이아프램이 분리된 엣지 릴리스드 다이아프램으로 예시하였다.
아래의 기판이 제거되고 윙과의 사이의 간극에 의해서 기판으로부터 기계적으로 분리된 다이아프램은 지지스프링에 의해서 기판에 매달려 있다.
음파가 인가되면 다이아프램은 음파의 압력에 의해서 상하로 변이된다.
다이아프램이 제거된 영역에는 유동콤핑거가 다이아프램이 제거된 영역의 엣지에 부착되어 있다. 유동콤핑거는 다이아프램의 직경방향을 향하고 있고 각 유동콤핑거의 중간은 원주방향으로 서로 연결되어 있다.
한편, 단부가 기판에 앵커에 의해 고정된 지지대는 유동콤핑거 사이에 일정간격으로 배치되어 있는 고정콤핑거를 지지하고 있다.
이때, 지지대와 고정콤핑거는 동일재질과 동일두께를 가지고 동일공정으로 형성되며, 유동콤핑거를 기준으로 수직방향으로 동일한 높이로 편이되어 있다.
다이아프램과 지지대와 유동콤핑거와 고정콤핑거는 전도체로 이루어지므로 유동콤핑거와 고정콤핑거 간에는 정전용량이 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 이와같이 음파를 감지하는 유동콤핑거와 고정콤핑거로 이루어진 영역을 콤감지부라고 지칭한다.
도 14에는 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 14에는 다이아프램의 엣지를 둘러싸는 스티프너가 형성되어 있다. 만약, 스티프너와 지지대가 평면적으로 교차되는 경우에는 본 출원인에 의해 출원중인 출원번호 제10-2018-0052223호에 예시한 바와 같이 고정콤핑거 상측 또는 하측에 별도의 지지대를 더 형성할 수 있다.
도 14의 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(미도시)이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 14에서 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.
설계에 따라 유동콤핑거는 다이아프램 상측에 부착시킬 수도 있고, 다이아프램 하측에 부착시킬 수도 있다.
또, 유동콤핑거를 다이아프램 상측과 하측에 형성한 후, 유동콤핑거의 수직 양방향에 고정콤핑거를 쌍으로 형성할 수도 있다.
이와 같이 다양한 경우에 대한 도 14의 콤감지부의 단면(단면 A-A')을 포함한 단면도가 도 15에 예시되어 있다.
도 15의 (가)는 유동콤핑거를 다이아프램이 제거된 영역의 상측에 형성하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 상측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
다이아프램이 제거된 영역의 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되어 있는데, 이는 음파가 다이아프램의 엣지로 새어나가는 것을 방지하는 역할을 한다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상측에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
도 15의 (나)는 유동콤핑거를 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 형성하고, 고정콤핑거를 유동콤핑거에 비하여 하측으로 편이시킨 경우의 콤감지부 및 지지대의 단면을 보여주고 있다.
다이아프램이 제거된 영역의 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되어 있는데, 이는 음파가 다이아프램의 엣지로 새어나가는 것을 방지하는 역할을 한다.
지지대는 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 하부에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 스티프너가 부착될 수 있다.
도 15의 (다)는 유동콤핑거를 다이아프램이 제거된 영역의 상측 및 하측에 형성하고, 고정콤핑거를 다이아프램의 상측과 하측에 각각 형성한 경우의 콤감지부의 단면을 보여주고 있다.
다이아프램이 제거된 영역의 엣지에는 가장 바깥쪽의 유동콤핑거가 부착되어 있는데, 이는 음파가 다이아프램의 엣지로 새어나가는 것을 방지하는 역할을 한다.
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 동일한 거리로 다이아프램으로부터 상측으로 편이되어 있다.
하부 지지대는 하부 고정콤핑거와 동일재질의 동일두께로 형성되며, 하부 고정콤핑거와 동일한 거리로 다이아프램으로부터 하측으로 편이되어 있다.
다이아프램 상부 및 하부에는 지지대와 평면적으로 교차되지 않는 상부 및 하부 유동콤핑거와 동일재질 및 두께를 갖는 상부 및 하부 스티프너가 부착될 수 있다.
이 구조에서는 상부 유동콤핑거와 상부 고정콤핑거 간의 정전용량변화와 하부 유동콤핑거와 하부 고정콤핑거 간의 정전용량변화가 반대로 발생하므로 차동 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
유동콤핑거 및 고정콤핑거는 두께가 크며, 유동콤핑거와 고정콤핑거간의 간격은 균일하면서도 좁을수록 정전용량이 크게 되어 바람직하다.
이와 같이, 유동콤핑거 및 고정콤핑거의 두께를 크게 하면서도 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격을 일정하면서 좁게 형성하기 위한 제작방법을 도 16a에서 도 20까지의 예시를 통해 설명한다.
도 16a 내지 도 16c는 다이아프램이 제거된 영역의 상측에 부착된 유동콤핑거에 평면적으로 고정콤핑거가 유동콤핑거의 사이에 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거와 지지대가 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
먼저, 도 16a의 (가)와 같이 기판에 보호막을 형성한 후에 전도성이 있는 탄성층 패턴을 형성한다.
탄성층 패턴은 다이아프램과 윙과 지지스프링을 이루게 된다. 본 발명에서는 기판으로서 (100)면의 실리콘 웨이퍼를, 보호막으로서 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였으며, 탄성층으로서는 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
그 다음, 도 16a의 (나)와 같이 제 1희생층을 증착하고 이를 식각하여 제 1트렌치를 형성한 후, 도 16a의 (다)와 같이 제 1트렌치에 평탄하게 충진된 제 1전도체를 형성한다.
본 발명에서는 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 "방법 1"을 사용하였으며, 제 1희생층으로서 4㎛ 두께의 USG를 사용하고 제 1전도체는 폴리실리콘으로 형성하였다.
그 다음, 도 16b의 (라)와 같이 제 2희생층으로서 1㎛ 두께의 USG를 증착하고, 도 16b의 (마)와 같이 제 1희생층의 3㎛까지 깊이까지 제 1전도체에 자동정렬된 제 2트렌치를 형성한다.
그 다음, 도 16b의 (바)와 같이 USG재질의 1㎛ 두께의 분리막을 형성한 후, 도 16c의 (사)와 같이 제 2전도체를 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 “방법 1”을 사용하여 폴리 실리콘으로 형성하였다(도 16b의 (마) 및 (바)와, 도 16c의 (사)의 자동정렬 공정은 도 4 및 도 5에서 자세히 설명하였다).
그 다음, 도 16c의 (아)와 같이 기판밑면과 보호막을 순차적으로 식각하였다.
마지막으로 도 16c의 (자)와 같이 각 희생층과 분리막을 제거하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상측에 부착된 유동콤핑거와 필요에 따라 다이아프램 상부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램과 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 17a 내지 도 17c는 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 부착된 유동콤핑거에 평면적으로 고정콤핑거가 유동콤핑거의 사이에 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
도 17a의 (가)와 같이 기판상의 보호막 위에 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 "방법 1"을 사용하여 제 1희생층에 제 1전도체를 형성한다.
보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 제 1희생층은 4㎛ 두께의 USG, 제 1전도체는 폴리실리콘을 사용하였다.
그 다음, 도 17a의 (나)와 같이 제 2희생층을 형성한 후, 도 4 및 도 5에서 설명한 방법을 사용하여 도 17a의 (다)와, 도 17b의 (라) 및 (마) 공정을 수행함으로써 제 1전도체에 자동정렬된 제 2전도체를 형성한다.
이때, 제 2희생층은 1㎛두께의 USG, 제 2전도체는 폴리실리콘을 사용하였다. 또, 분리막은 1㎛두께의 USG로 형성하였다.
그 다음 도 17b의 (바)와 같이 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하여 탄성층 패턴을 형성하였다.
도 17b의 (바)공정이 완료된 후, 도 17c의 (사)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막을 식각한다.
마지막으로 도 17c의 (아)와 같이 각 희생층과 분리막을 순차적으로 식각하면 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 다이아프램의 하측에 부착된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 하부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램과 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 18은 다이아프램이 제거된 영역의 상측과 하측에 부착된 유동콤핑거에 평면적으로 고정콤핑거가 유동콤핑거의 사이에 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 다이아프램을 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰의 제작공정을 보여준다.
도 18의 (가)는 보호막 위에 각 희생층과 각 희생층에 충진된 각 전도체 및 탄성층, 그리고 각 분리막이 쌓여 있는 구조를 보여준다.
이러한 각 희생층 및 전도체는 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 "방법 1"의 공정을 사용하여 형성되었다.
보호막은 0.5㎛ 두께의 실리콘 질화막을 사용하였고, 탄성층은 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하였다.
모든 희생층과 분리막의 재질은 USG로 하였고 모든 전도체는 폴리실리콘을 사용하였다.
제 1희생층의 두께는 4㎛, 제 2희생층의 두께는 1㎛, 제 3희생층의 두께는 4㎛, 제 4희생층의 두께는 1㎛, 각 분리막의 두께는 1㎛로 하였다.
도 4a 내지 도 5b에서 설명한 방법에 의해 제 2전도체는 제 1전도체에 자동정렬되며, 제 4전도체는 제 3전도체에 자동정렬된다.
도 18의 (가)공정이 완료된 후 도 18의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막, 각 희생층 및 각 분리막을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상측에 부착된 상부 유동콤핑거와 다이아프램의 하측에 부착된 하부 유동콤핑거가 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램의 상부 및 하부에 부착된 스티프너가 함께 형성되며, 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 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 제작공정에서는 생략하였다.
한편, 기판에 트렌치를 형성함으로써 제작공정에 사용되는 희생층의 개수를 줄일 수 있다.
도 19a 내지 도 19c는 다이아프램이 제거된 영역의 하측에 부착된 유동콤핑거에 평면적으로 고정콤핑거가 유동콤핑거의 사이에 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되어 있는 본 발명의 마이크로폰을 기판에 형성한 트렌치를 이용하여 형성하는 제작공정을 보여준다.
도 19a의 (가)와 같이 실리콘 기판에 제 1트렌치를 형성하고, 도 19a의 (나)와 같이 열산화(Thermal Oxidation)를 하여 실리콘 산화막으로 이루어진 제 1분리막을 성장시킨다.
열산화 대신 USG, PSG, BPSG, TEOS중에서 선택된 재료를 증착하여 제 1분리막을 형성할 수도 있다.
제 1분리막의 두께는 통상적으로 0.5~1㎛두께가 제안된다.
그 다음, 도 19a의 (다)와 같이 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 “방법 1”을 사용하여 제 1전도체를 형성한다.
본 발명에서는 제 1트렌치의 깊이를 6㎛로 하였고 제 1분리막을 1㎛두께로 형성하였으며, 제 1전도체는 폴리 실리콘으로 하였다.
그 다음, 도 19b의 (라)와 같이 제 1희생층을 증착한 후 제 1희생층, 제 1분리막 및 실리콘 기판을 순차적으로 식각하여 제 2트렌치를 형성하고, 제 2분리막을 형성하면 도 19b의 (마)와 같이 된다.
그 다음, 도 3a 내지 도 3c에서 설명한 “방법 1”을 사용하여 도 19b의 (바)와 같이 제 1전도체에 자동정렬된 제 2전도체를 형성한다(도 19b의 (라), (마), (바)의 자동정렬 공정은 도 9 에서 도 12에 걸쳐 자세히 설명하였다).
본 발명에서는 제 1 희생층으로서 1㎛ 두께의 USG를 사용하였고, 제 2트렌치는 6㎛ 깊이로 하였고 제 2분리막은 0.5㎛두께로 형성하였으며, 제 2전도체는 폴리실리콘으로 하였다.
도 19c의 (사)와 같이 0.5㎛ 두께의 폴리실리콘을 사용하여 탄성층 패턴을 형성한 후에, 도 19c의 (아)와 같이 밑면의 실리콘 기판을 식각하고, 도 19c의 (자)와 같이 각 희생층과 분리막을 순차적으로 식각하면 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 하측에 부착된 유동콤핑거와, 필요에 따라 다이아프램 하부에 부착되는 스티프너가 함께 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 고정콤핑거가 형성되며, 동시에 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정된 지지대도 형성된다.
결국, 유동콤핑거와 고정콤핑거의 세트는 음파에 의하여 정전용량이 변화하는 콤감지부를 이루게 된다. 인터컨넥션(Interconnection) 공정은 통상적이므로 예시된 본 제작공정에서는 생략하였다.
도 20은 다이아프램이 제거된 영역의 상측과 하측에 부착된 유동콤핑거에 평면적으로 고정콤핑거가 유동콤핑거의 사이에 일정간격을 갖고 배치되며, 고정콤핑거가 다이아프램을 기준으로 상하측에 쌍으로 형성되어 있는 본 발명의 마이크로폰을 기판에 형성되는 트렌치를 이용하는 제작공정을 보여준다.
제 1분리막, 제 1전도체, 제 1희생층, 제 2분리막, 제 2전도체 및 탄성층 패턴을 도 19a의 (가)에서 도 19c의 (사)까지의 공정으로 형성한 후에, 도 3a 내지 도 3c의 “방법 1”을 사용하여 제 2희생층, 제 3희생층, 제 3전도체, 제 3분리막, 제 4전도체를 형성하면 도 20의 (가)와 같이 된다.
도 9a 내지 도 12b에 걸쳐 설명한 방법에 의해 제 2전도체는 제 1전도체에 자동정렬되며, 도 4a 내지 도 5b에서 설명한 방법에 의해 제 4전도체는 제 3전도체에 자동정렬된다.
본 발명에서는 제 1분리막으로서 1㎛두께의 열산화하여 형성한 실리콘 산화막, 제 1전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 제 1희생층으로서 1㎛ 두께의 USG, 제 2분리막으로서 0.5㎛두께의 USG, 제 2전도체로서 6㎛두께의 폴리실리콘, 탄성층으로서 0.5㎛두께의 폴리실리콘, 제 2희생층으로서 6㎛ 두께의 USG, 제 3희생층으로서 1㎛두께의 USG, 제 3분리막으로서 1.5㎛두께의 USG, 제 3전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘, 제 4전도체로서 6㎛ 두께의 폴리실리콘으로 각각 형성하였다.
그 다음, 도 20의 (나)와 같이 기판의 밑면으로부터 기판, 보호막, 각 희생층 및 각 분리막을 순차적으로 식각하면, 윙으로부터 간극을 갖고 분리된 다이아프램이 형성되며, 동시에 다이아프램의 상측에 부착된 상부 유동콤핑거와 다이아프램의 하측에 부착된 하부 유동콤핑거가 형성된다.
또, 필요에 따라 다이아프램의 상부 및 하부에 부착된 스티프너가 함께 형성되며, 다이아프램 및 윙의 엣지에서 마주보는 스티프너가 함께 형성될 수 있다.
또한, 평면적으로 상부 및 하부 유동콤핑거의 양측에 일정간격으로 배치되면서 상부 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이된 상부 고정콤핑거와 하부 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이된 하부 고정콤핑거가 형성된다.
동시에, 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램으로부터 상측으로 이격되어 있는 상부 지지대와 단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 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 제작공정에서는 생략하였다.
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.
지지대와 스티프너는 두꺼울수록 강성이 커지므로 두께가 큰 것이 바람직하다.
그러나, 이러한 설계 수치들은 재질, 제조공정 및 기계적특성 측면을 고려하여 최적화하여야 하며, 본 발명에서는 유동콤핑거 및 고정콤핑거의 폭은 1㎛~10㎛, 두께는 2㎛~20㎛, 길이는 10㎛~100㎛로 하고,
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 다이아프램으로부터 상측 또는 하측으로 1㎛~20㎛만큼 동일한 거리로 이격(편이)될 수 있음을 검토하였다.
또, 고정콤핑거는 유동콤핑거와 1㎛에서 20㎛로 중첩되는 것을 검토하였다.
또, 유동콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 제조공정에서 검토된 분리막의 두께로 결정되며, 0.1㎛의 매우 좁은 간격으로부터 3㎛의 간격까지 검토하였다.
또한, 도 1과 관계하여, 평면적으로 고정콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 넓을수록 다이아프램이 음파에 의해 변이될 때 공기의 저항이 작아지므로 충분한 간격을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 고정콤핑거와 고정콤핑거 간의 간격은 5㎛~20㎛인 것을 설계에 검토하였다.
또한, 도 4a 내지 도 5b와, 도 9a 내지 도 12b에 관련하여 제 1전도체 또는 제 2전도체의 단면의 측면이 상부 또는 하부가 넓어지는 거리 즉, 
형태 또는 
형태의 수평거리는 통상 0.1~1㎛범위에 있게 된다.
또한, 다이아프램, 윙 및 지지스프링을 이루게 되는 탄성층은 폴리실리콘 외에 비정질실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등의 금속을 0.3㎛에서 3㎛범위의 두께로 하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 예시한 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 다이아프램은 엣지 릴리스드 다이아프램(Edge Released Diaphragm) 형태이나, 본 발명에 의한 콤감지부는 엣지 클램프드 다이아프램(Edge Clamped Diaphragm), 예를 들면 콜루게이티드 다이아프램(Corrugated Diaphragm)에도 적용할 수 있음은 자명하다.
마지막으로, 설계에 따라 기판의 재질은 실리콘 외에 스테인레스강, 니켈, 구리, 티타늄, 유리, 또는 폴리이미드 등을 사용할 수 있고, 보호막으로서는 실리콘 질화막 외에 분리막 또는 폴리이미드를 사용할 수 있다.
또한, 탄성층은 폴리실리콘 외에 비정질실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 등의 금속을 사용할 수 있다.
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)
- 다이아프램에 다수의 유동콤핑거와 스티프너가 부착되며,
유동콤핑거를 기준으로 수직방향으로 편이된 다수의 고정콤핑거가 평면적으로 유동콤핑거에 이웃하여 형성되고,
유통콤핑거 및 고정콤핑거 단면의 측면이형태 또는
형태이며,
다수의 유동콤핑거 및 고정콤핑거가 세트로 형성된 콤감지부가 다수 형성되고,
단부가 앵커에 의하여 기판에 고정되면서 다이아프램의 수직방향으로 이격되어 있는 지지대가 형성되며,
상기 고정콤핑거는 지지대에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다이아프램은 엣지 릴리스드 다이아프램이거나 엣지 클램프드 다이아프램인 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 상부에 부착되며, 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 상측으로 편이되며, 지지대는 다이아프램 및 스티프너로부터 상측으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 하부에 부착되며, 고정콤핑거는 유동콤핑거를 기준으로 하측으로 편이되며, 지지대는 다이아프램 및 스티프너로부터 하측으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 1에 있어서,
상기 스티프너 및 유동콤핑거는 다이아프램의 상부와 하부에 부착되며, 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.
- 청구항 1에 있어서,
평면적으로 상기 고정콤핑거는 유동콤핑거 사이에 일정간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 1에 있어서,
평면적으로 상기 고정콤핑거는 유동콤핑거 양측에 일정간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰.
- 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 제조하는 방법은,
기판에 제1 희생층을 증착하는 단계;
제 1희생층에 제 1트렌치를 형성하는 단계;
형성된 제 1트렌치에 제 1전도체를 충진하는 단계;
이후, 제1 희생층 상측에 제 2희생층을 형성하는 단계;
제 2희생층 상에 제 1전도체에 중첩되도록 제 2트렌치 패턴을 형성하는 단계;
제 2트렌치 패턴을 통하여 제 2희생층 및 제 1희생층을 식각하여 제 2트렌치를 형성하는 단계;
제2 희생층과 제2 트렌치 상에 분리막을 형성하는 단계; 및
분리막이 형성된 제 2트렌치 상에 제 2 전도체를 충진하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 제조하는 방법은,
실리콘 기판에 제 1트렌치를 형성하는 단계;
실리콘 기판과 제1 트렌치 상에 제 1분리막을 형성하는 단계;
제 1트렌치에 제 1전도체를 충진하는 단계;
제1 분리막과 제1 전도체 상측에 제 1희생층을 형성하는 단계;
제 1희생층 상에 제 1전도체의 측면에 형성되어 있는 제 1분리막에 중첩되도록 제 2트렌치 패턴을 형성하는 단계;
제 2트렌치 패턴을 통하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 식각하는 단계;
실리콘 기판을 식각하여 제 2트렌치를 형성하는 단계;
제 2트렌치 패턴과 제 1희생층 상에 제 2분리막을 형성하는 단계; 및
제 2분리막이 형성된 제 2트렌치에 제 2전도체를 충진하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 기재된 MEMS 캐패시티브 마이크로폰을 제조하는 방법은,
실리콘 기판에 제 1트렌치를 형성하는 단계;
실리콘 기판과 제1 트렌치 상에 제 1분리막을 형성하는 단계;
제 1트렌치에 제 1전도체를 충진하는 단계;
제 1전도체와 제 1분리막 상에 제 1희생층을 형성하는 단계;
제 1희생층 상에 제 1전도체의 측면에 형성되어 있는 제 1분리막과 이격되도록 제 2트렌치 패턴을 형성하는 단계;
제 2트렌치 패턴을 통하여 제 1희생층 및 제 1분리막을 식각하는 단계;
실리콘 기판을 식각하여 제 2트렌치를 형성하는 단계;
제 1희생층과 제 2트렌치 상에 제 2분리막을 형성하는 단계; 및
제 2분리막이 형성된 제 2트렌치에 제 2전도체를 충진하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEMS 캐패시티브 마이크로폰의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN111943127A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-11-17 | 瑞声科技（南京）有限公司 | 一种梳齿结构、其制备方法及麦克风 |
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| CN111943127B (zh) * | 2020-07-10 | 2024-01-05 | 瑞声科技（南京）有限公司 | 一种梳齿结构、其制备方法及麦克风 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |