KR20030090189A - 압전형 초소형 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전형 초소형 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것으로 제작이 용이하면서 출력 성능이 개선된 압전형 초소형 스피커를 제조하는 방법과 그 방법으로 만들어진 스피커를 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은, 압전형 초소형 스피커의 다이어프램(diaphragm)으로 압축성 박막(compressive thin film)에 인공적인 요철(corrugation)을 주고 다이어프램 상부에 패키지(package) 구조를 설치하여 스피커의 성능을 향상시키는 방법 및 그 방법으로 만들어진 스피커를 제시한다.

본 발명에 의해 압전형 초소형 스피커는 멤브레인의 변위(deflection)가 증가되고, 패키지에 의해 음압을 증폭함으로써 초소형 스피커의 출력이 향상되는 효과를 가진다.

Description

압전형 초소형 스피커 및 그 제조 방법{PIEZOELECTRIC MICRO-SPEAKER AND ITS FABRICATING METHOD THEREFORE}

본 발명은 압전형 초소형 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 압전형 초소형 스피커의 다이어프램에 요철을 주고 다이어프램 상부에 패키지 구조를 설치하여 스피커의 성능을 향상시키는 방법 및 그 방법으로 만들어진 스피커에 관한 것이다.

현재 개인 휴대 단말기(cellular phone)는 개인 휴대통신이나 데이터 전송 등의 편리함으로 인해 급격히 사용이 증가하고 있으며, 소형화, 경량화와 함께 고품질의 서비스를 제공하기 위하여 많은 개발이 이루어지고 있다.

개인 휴대 단말기용 마이크로폰 및 스피커는 소형화의 방향과 마이크로폰, 스피커 및 부저의 기능을 포함할 수 있는 통합 장치의 개발이 이루어지고 있다. 그러나, 동작 특성을 저하시키지 않으면서 마이크로폰과 초소형 스피커를 소형화하는 것은 많은 어려움이 있어 그 응용 영역이 국한되어 있다.

즉, 현재 상용화되어 있는 초소형 스피커의 경우 이를 보청기와 같은 초소형 음향소자를 요구하는 곳에서의 응용은 제한을 받고 있는 실정이다.

그러나, 근래 초소형 전자 기계적 시스템(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 마이크와 스피커를 소형화하는 기술이 종래에 개시되어 왔다.

이러한 MEMS 기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼에 음향 변환기(acoustic transducer)를 제조하는 방법은 반도체 일괄 공정에 의해 제조가 가능하므로 비용을 절감할 수 있으며, 단일 칩 내에 다수의 변환기와 증폭기들을 집적할 수 가 있으므로 신호처리부가 포함된 음향 소자의 소형화가 가능하다는 것과 같이 종래의 방법과 비교하여 많은 이점이 있게된다.

일반적으로는 MEMS 기술을 이용한 스피커와 마이크로폰의 제작은 압전 박막을 이용한 방법이 주종을 이루고 있는데, 이는 압전 박막을 이용한 변환기가 기존 일렉트로 다이나믹(Electro-dynamic)형 스피커에서 요구되는 영구 자석과 구동 코일이 필요하지 않기 때문이고, 마이크로폰의 경우 콘덴서 타입보다는 제작이 보다 용이하며, 분극 전압이 필요없으며, 보다 넓은 동작 범위를 갖는 장점이 있지만, 기존 MEMS 기술을 이용한 음향 변환기는 대부분 인장 잔류 응력을 갖는 멤브레인을 사용하기 때문에 마이크로폰에서는 상대적으로 낮은 감도를 가지며 스피커에서는 낮은 출력을 가지는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제작이 보다 용이하며, 동작 특성이 뛰어난 압전형 마이크로 스피커와 그 제조 방법을 목적으로 한다.

도 1a 내지 1l은 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법의 일 실시예의 각 제조 단계의 단면도

도 2는 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법의 일 실시예의 공정도

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

100 : 실리콘 기판102, 102': 산화막

104 : 요철106 : 압축성 박막

108, 108': 하부 전극110 : 압전 박막

112 : 하부 절연막114, 114': 상부 전극

116 : 상부 절연막118 : 앵커 영역

120 : 후막 감광막122 : 종자막 박막

124 : 상부 감광막126 : 무전해 니켈층

128 : 공극

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 압전형 초소형 스피커의 다이어프램에 요철을 주고 다이어프램 상부에 패키지 구조를 설치하는 방법을 제시한다.

본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법은, 실리콘 기판 일면의 외측부를 식각하여 기판 상에 요철을 형성하는 단계; 상기 기판 양면에 압축성 박막을 형성하는 단계; 상기 요철로 둘러싸인 기판면 중앙부 및 요철 외측 일부에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 기판 중앙부에 형성된 하부 전극을 덮는 압전 박막을 형성하는 단계; 상기 기판면 전체에 절연막을 형성하는 단계; 상기 기판 중앙부의 절연막 상 및 요철 외측 하부 전극과 겹치지 않는 위치에 상부 전극을 형성하는 단계; 상기 기판면 전체에 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 중앙부 및 요철부 하부의 실리콘 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법은, 압전형 초소형 스피커가 형성된 기판면의 외측 일부의 절연막을 제거하여 앵커 영역을 형성하는 단계; 상기 앵커 영역을 제외한 상기 기판면에 후막 감광막 층을 형성하는 단계; 상기 기판면 전체에 종자막 박막을 형성하는 단계; 상기 앵커 영역의 외측 및 상기 기판 중앙부의 일부 영역에 상부 감광막 층을 형성하는 단계; 상기 상부 감광막 층을 제외한 기판면 전체에 무전해 니켈층을 성장시키는 단계; 및 상기 상부 감광막 층, 상기 상부 감광막 층과 접하는 종자막 및 후막 감광막 층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커는 상기의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명한다. 도 1a 내지 1l은 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법의 일 실시예의 각 제조 단계의 단면도이다. 즉, 도 1l은 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커 제조 방법으로 제작된 스피커의 최종 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커를 제조하는 방법의 일 실시예이다.

실리콘 기판(100)을 세정하고 기판 상에 1㎛ 두께의 산화막(102, 102')을 성장시킨다(200). 실리콘 기판(100) 일면의 외측부를 식각하여 기판 상에 요철(104)을 형성한다(202). 요철(104)은 압축성 박막이 증착될 멤브레인을 둘러싸는 형상으로 형성된다. 요철(104)) 형성을 위한 실리콘(100)의 식각은 산화막(102)을 패터닝하여 수행한다.

기판(100) 양면의 산화막(102)을 습식 식각 방법에 의하여 제거하고 1㎛ 두께의 압축성 박막(106)을 증착하여 형성한다(204). 압축성 박막(106)은 비화학적 당량적 질화막, 산화막과 질화막의 이중막 및 질화막, 산화막 및 질화막의 삼중막 중에서 선택된다. 압축성 박막(106)은 압축 잔류 응력을 지닌 막을 이용하기 때문에 실리콘을 제거하게 되면 멤브레인 주위에 주름(Wrinkling)이 형성되어 멤브레인의 상하운동이 인장 잔류 응력을 갖는 막보다 용이하게 하기 위하여 사용된다.

기판면 중앙부 및 요철 외측 일부에 0.5㎛ 두께의 Al을 증착 및 패터닝하여 하부 전극(108, 108')을 형성한다(206). 중앙부의 하부 전극(108)은 요철 내측에 위치하도록 한다.

기판 중앙부에 형성된 하부 전극(108)을 덮는 압전 박막(110)을 형성한다(208). 압전 박막(110)은 ZnO 또는 AlN 중에서 선택되는데 제조되는 전체 박막의 잔류응력을 고려하여 그 두께를 산정한 뒤 증착되고 식각된다. 이때 하부 전극(108)의 손상을 최소화하기 위해 건식 식각을 사용할 수 있다. 또한, 압전 박막 상하부 전극간의 절연을 위해 하부 전극(108)의 측면까지 완전히 덮도록 패터닝하여 식각한다.

기판면 전체에 하부 절연막(112)을 형성한다(210). 하부 절연막(112)은 Parylene-C 및 Parylene-D 중에서 선택되는데 0.2㎛로 증착된다. 하부 절연막(112) 증착은 하부 전극과 다공질의 압전체간의 전기적 단락을 방지하기 위함이다.

기판 중앙부의 하부 절연막(112) 및 요철 외측 하부 전극(108')과 겹치지 않는 위치에 상부 전극(114,114')을 형성한다(212). 상부 전극(114, 114')은 0.5㎛ 이내의 Al 또는 잔류 응력을 고려한 소정 두께의 Au/Cr 이중 층으로 0.5㎛로 증착 및 패터닝된다. 중앙부의 상부 전극(114) 또한 요철 구조 내측에 위치하며 하부 전극(108)보다 약간 작게 함으로써, 상하부 전극간의 전기적인 단락 및 커플링을 최대한 방지한다.

이때 상부 전극은 압전 박막의 변형을 최대로 발생시키기 위하여 일체형 혹은 두개의 부분으로 나누어진 전극부를 형성한다. 즉, 두개의 상부 전극이 전압을 인가 단자로 사용되는 경우 하부 전극은 공통 전극으로 사용된다.

기판면 전체에 상부 절연막(116)을 형성한다(214). 이때 Parylene-C 또는 Parylene-D를 1㎛ 두께로 증착한다. 이 막(116)은 마지막 단일 칩으로 커팅시 기계적인 강도를 높여주고 멤브레인 끝단의 스트레스를 조절하기 위하여 증착한다.

기판면 외측 일부의 절연막(112, 116)을 제거하여 앵커 영역을 형성한다(216). 이것은 종자막 층(seed layer; 122)의 부착력을 확보하기 위한 것이다. 기판 이면(backside)의 압축성 박막(102')을 패터닝하여 제거한다(218). 이에 의해 멤브레인의 최종 면적이 정의된다. 이 패터닝 후 압축성 박막(102')의 식각은 반응성 이온 식각 시스템(Reactive Ion Etching System) 내에서 진행된다.

앵커 영역을 제외한 기판면에 후막 감광막(photoresistor; 120)을 형성한다(220). 후막 감광막(120)은 멤브레인과 무전해 니켈 박막을 이용한 패키지 사이의 공극(cavity; 128)을 확보하기 위해 도포된다. 이때 후막 감광막(120)은 종자막의 증착시 발생되는 열화를 최소화하고, 마이크로 균열(micro cracks)을 방지하기 위하여 150℃에서 30분 간 경화한다.

기판면 전체에 종자막 박막(122)을 형성한다(222). 종자막(122)은 니켈 크롬 합금으로 열증착 또는 스퍼터링에 의해 0.1㎛의 두께로 증착된다.

앵커 영역(118)의 외측 및 기판 중앙부의 일부 영역에 상부 감광막(124) 층을 형성한다(224). 얇은 감광막(124)의 도포는 음향 토출구를 제외한 영역에서 무전해 니켈층을 형성하고, 무전해 니켈 도금 후 소자 영역상 불필요한 부분을 정의하여 제거하기 위함이다.

상부 감광막 층(124)을 제외한 기판 전면에 무전해 니켈층(126)을 형성한다(226). 무전해 니켈 도금(126)은 100℃ 이하의 저온에서 패키지 구조를 형성하기 위한 것으로 무전해 도금법에 의해 5㎛ 내지 10㎛두께의 금속 박막을 증착한다. 이때 도금된 니켈의 잔류 응력은 도금액의 조성, 온도 및 산도(pH)를 조절함으로써 도1l에 제시된 바와 같은 구조가 제작된다.

공극(128)을 형성하기 위해 표면 및 니켈막 하부에 있는 박막(124) 및 후막 감광막(120)은 아세톤 용액에서 수초간 초음파 세척 공정을 진행하여 감광막(120, 124)을 제거한다(228). 이때 상부 감광막 층(124)이 제거될 때 감광막 하부의 종자막층(122)도 함께 제거됨으로써, 이때 형성된 음향 토출구를 통하여 아세톤이 종자층 하부에 있는 후막 감광 층(120)도 함께 제거된다.

중앙부와 요철 하부의 실리콘 기판(100)을 수산화칼륨 수용액(KOH SOLUTION) 내에서 식각함으로써 멤브레인을 형성한다(230). 이때 실리콘 식각 장치를 이용하여 기판 전면에 가공된 소자를 보호하고, 이를 이방성 식각 용액에서 소정의 시간동안 실리콘(100)을 식각함으로써 멤브레인을 형성된다.

칩을 절단하고 와이어 본딩을 한다(232). 실리콘 기판의 이방성 식각 후에 각각의 소자로 분리하고 각 전극부를 소정의 접촉부와 전기적으로 접속시킴으로써 소자를 완성한다.

본 발명에 따른 압전형 초소형 스피커는 상기의 동작 원리는 다음과 같다. 압전 박막의 상하부에 위치한 전극에 (또는 상부의 1,2차 전극, 이때 하부 전극은 공통 전극으로 사용된다.) 외부에서 교류 전극을 인가하면 압전 박막은 인가 전압의 극성 변화에 따라 수축(Contraction) 및 확장(Expansion)을 한다. 이러한 인가 전압에 따른 수축 및 확장은 실리콘 기판에 증착된 멤브레인의 상하 운동을 유발시키며, 이에 따라 멤브레인의 상하부 공기층을 움직이게 한다.

이때 압축성 잔류 응력을 지니도록 제작된 멤브레인 막의 고유 성질과 인위적인 요철 구조 및 전체적으로 조절된 멤브레인의 잔류 응력에 의해서 교류 전압에 따라 멤브레인은 용이하게 큰 진폭을 갖는 진동을 유발하게 된다.

이때, 멤브레인의 진동은 멤브레인 상부에 위치한 공기층의 압력 변화를 유발시키며, 이에 따라 음압을 발생시킨다. 발행된 음압은 멤브레인의 상부에 위치한공극을 갖는 패키지 구조에 의해 증폭되고 증폭된 음압은 패키지 부분의 형성된 음압 토출구를 통해 공기 중으로 전달됨으로써 초소형 스피커로서의 역할을 하게 된다.

본 발명에 의한 압전형 초소형 스피커는 제작이 용이하면서도 요철에 의해 스피커 멤브레인의 동작 성능이 개선되며 패키지에 의해 스피커의 출력이 개선되는 효과를 가진다.

이상에서는 본 발명을 하나의 실시예로써 설명하였으나 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (7)

1)실리콘 기판 일면의 외측부를 식각하여 기판 상에 요철을 형성하는 단계;

2)상기 기판 양면에 압축성 박막을 형성하는 단계;

3)상기 요철로 둘러싸인 기판면 중앙부 및 요철 외측 일부에 하부 전극을 형성하는 단계;

4)상기 기판 중앙부에 형성된 하부 전극을 덮는 압전 박막을 형성하는 단계;

5)상기 기판면 전체에 하부 절연막을 형성하는 단계;

6)상기 기판 중앙부의 하부 절연막 상 및 요철 외측 하부 전극과 겹치지 않는 위치에 상부 전극을 형성하는 단계;

7)상기 기판면 전체에 상부 절연막을 형성하는 단계; 및

8)상기 중앙부 및 요철 하부의 실리콘 기판을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제조 방법.

제 1항에 있어서, 2)단계의 압축성 박막은 비화학적 당량적 질화막, 산화막과 질화막의 이중막, 또는 질화막, 산화막 및 질화막의 삼중막 중에서 선택된 막인 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제조 방법.

제 1항에 있어서, 4)단계의 압전 박막은 ZnO 및 AlN 중 하나인 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제조 방법.

제 1항에 있어서, 상기 하부 및 상부 절연막은 Parylene-C 및 Parylene-D 중 하나인 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제작 방법.

제 1항에 있어서, 상기 하부 전극은 공통 전극이고, 상기 상부 전극은 두개로 나누어진 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제작 방법.

가. 압전형 초소형 스피커가 형성된 기판면의 외측 일부의 절연막을 제거하여 앵커 영역을 형성하는 단계;

나. 상기 앵커 영역을 제외한 상기 기판면에 후막 감광막 층을 형성하는 단계;

다. 상기 기판면 전체에 종자막 박막을 형성하는 단계;

라. 상기 앵커의 외측 및 상기 기판 중앙부의 일부 영역에 상부 감광막 층을 형성하는 단계;

마. 상기 상부 감광막 층을 제외한 기판면 전체에 무전해 니켈층을 형성하는 단계; 및

바. 상기 상부 감광막 층, 상기 상부 감광층 막과 접하는 종자막 및 후막 감광막 층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전형 초소형 스피커 제조 방법

제 1항 내지 6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 압전형 초소형 스피커.