KR20040046544A - Method for manufacturing acoustic transducer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음향 감지 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두꺼운 상부전극을 형성하지 않고 도금 공정을 통해 금속층으로 형성하여 제조 비용을 줄일 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정기술로 제조함으로서 초소형의 소자를 구현할 수 있는 음향 감지 소자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an acoustic sensing device, and more particularly, to form a metal layer through a plating process without forming a thick upper electrode, thereby reducing manufacturing costs, and manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical System) process technology. The present invention relates to a method of manufacturing an acoustic sensing device capable of realizing an ultra-small device.
일반적으로, 전기 통신의 급속한 발전으로 음성을 전기적인 신호로 변환하는 마이크로폰은 점점 소형화되어 가고 있다.In general, with the rapid development of telecommunications, microphones for converting voice into electrical signals are becoming smaller.
이러한 마이크로폰은 진동판에 전달되는 음향으로 인해 진동판과 고정 전극간의 거리가 변화하며 그로 인해 진동판 위에 형성된 하부 전극과 고정 전극 간의 정전용량의 변화로부터 전기적인 신호로 변화시키는 콘덴서형이 주로 사용되고 있다.The microphone is mainly used in the condenser type to change the distance between the diaphragm and the fixed electrode due to the sound transmitted to the diaphragm, thereby changing the capacitance between the lower electrode and the fixed electrode formed on the diaphragm into an electrical signal.
종래 기술에 따른 콘덴서 마이크로폰은 진동판, 상대전극, 신호처리용 인쇄회로기판 등 다양한 요소들은 각각 제조한 후, 조립하는 방법을 사용하고 있어 소형화가 어렵다.The condenser microphone according to the prior art uses various methods such as a diaphragm, a counter electrode, and a signal processing printed circuit board, respectively, to manufacture and then assemble them.
이를 개선하기 위해서, 진동판과 전극 등의 음향 감지 소자 부분을 모두 반도체 공정을 이용하여 한 기판 상에 제조하였다.In order to improve this, parts of the acoustic sensing elements such as the diaphragm and the electrode were all manufactured on one substrate using a semiconductor process.
이러한 반도체 공정으로 음향 감지 소자를 제조하는 것은 폴리이미드를 진동판과 상부전극을 고정시키는 구조체 역할을 하도록 하고, 알루미늄, 산화실리콘과 다공질 실리콘막을 희생층으로 사용하여 다결정 실리콘 또는 질화실리콘막을 부상시키고, 다결정 실리콘 또는 질화실리콘막으로 상부전극을 구성하며, 단결정 실리콘막을 진동판으로 사용하는 등 다양한 방법이 시도되었다.The manufacturing of the acoustic sensing device by the semiconductor process serves as a structure to fix the polyimide to the diaphragm and the upper electrode, and to raise the polycrystalline silicon or silicon nitride film using aluminum, silicon oxide, and porous silicon film as a sacrificial layer, and polycrystalline Various methods have been attempted such as forming an upper electrode with a silicon or silicon nitride film and using a single crystal silicon film as a diaphragm.
그러나, 폴리이미드 등 유기물을 구조체로 사용하는 경우, 온도, 습도 등 외부 환경 변화로 인해 감도가 달라지는 단점이 있었고, 알루미늄, 산화실리콘, 다공질 실리콘 등을 희생층으로 사용하면, 식각액이 강한 부식성을 띠기 때문에 다른 부분의 부식 및 상하부 전극의 접합현상이 일어나 수율이 저하되는 문제점을 야기시킨다.However, when organic materials such as polyimide are used as a structure, the sensitivity is changed due to changes in external environment such as temperature and humidity, and when the aluminum, silicon oxide, or porous silicon is used as a sacrificial layer, the etchant has a strong corrosiveness. Therefore, corrosion of other parts and bonding of the upper and lower electrodes occur, which causes a problem that the yield is lowered.
더불어, 다결정 실리콘, 질화실리콘막 등으로 상부전극을 구성하는 경우, 상부전극은 진동판의 두께에 비해 훨씬 두꺼워야 음향효율이 높아지나 이러한 공정은 공정 시간이 매우 길고 가격이 비싸기 때문에 마이크로폰 제조 비용을 높이게 된다.In addition, when the upper electrode is made of polycrystalline silicon, silicon nitride film, etc., the upper electrode must be much thicker than the thickness of the diaphragm to increase acoustic efficiency, but this process increases the manufacturing cost of the microphone because the process time is very long and expensive. do.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 두꺼운 상부전극을 형성할 때 도금에 의한 금속층으로 제작하여 제조 비용을 줄일 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정기술을 이용하여 제조함으로서 초소형의 소자를 구현할 수 있는 음향 감지 소자의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, it is possible to reduce the manufacturing cost by forming a metal layer by plating when forming a thick upper electrode, by using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process technology It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an acoustic sensing device capable of realizing an ultra-small device.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 실리콘 기판의 표면에 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와;A preferred aspect for achieving the above object of the present invention comprises a first step of sequentially forming a silicon oxide film and a silicon nitride film on the surface of the silicon substrate;
상기 실리콘 기판 상부에 있는 실리콘 질화막 상부의 일부 영역에 음향 감지 소자의 하부전극을 형성하는 제 2 단계와;Forming a lower electrode of the acoustic sensing device in a portion of the upper portion of the silicon nitride film on the silicon substrate;
상기 실리콘 질화막과 하부전극을 감싸며 제 1 포토레지스트층을 형성하고, 상기 제 1 포토레지스트층을 식각하여 상기 하부전극과 이격된 부분에 복수개의 요홈들을 형성하는 제 3 단계와;A third step of forming a first photoresist layer surrounding the silicon nitride layer and the lower electrode, and etching the first photoresist layer to form a plurality of grooves in a portion spaced apart from the lower electrode;
상기 제 1 포토레지스트층과 복수개의 요홈들을 감싸며 금속으로 이루어진 종자층(Seed layer)을 형성하는 제 4 단계와;A fourth step of forming a seed layer formed of a metal surrounding the first photoresist layer and the plurality of grooves;
상기 종자층 상부에 제 2 포토레지스트층을 형성하고 그 일부를 제거하여 상부전극의 지지부 및 전극 패드를 형성하기 위한 상기 복수개의 요홈 영역을 형성하고, 상기 복수개의 요홈들과 이격된 상기 하부전극 상측에 음향 감지 소자의 공기유입구들을 형성하기 위한 복수개의 작은 요홈들을 형성하는 제 5 단계와;A second photoresist layer is formed on the seed layer, and a portion of the second photoresist layer is removed to form the plurality of groove regions for forming a support part and an electrode pad of the upper electrode, and the upper side of the lower electrode spaced apart from the plurality of grooves. A fifth step of forming a plurality of small grooves for forming air inlets of the acoustic sensing element in the chamber;
상기 복수개의 요홈과 복수개의 작은 요홈들에 금속층을 도금하는 제 6 단계와;A sixth step of plating a metal layer on the plurality of grooves and the plurality of small grooves;
상기 실리콘 기판의 하부에 있는 실리콘 질화막, 실리콘 산화막과 실리콘 기판의 일부를 순차적으로 제거하여 식각하여 그 일부를 상기 하부전극의 하측에 있는 상기 실리콘 산화막과 실리콘 질화막이 부상된 멤브레인(Membrane)을 형성하는 제 7 단계와;Sequentially removing portions of the silicon nitride film, the silicon oxide film, and the silicon substrate under the silicon substrate, and etching the portions to form a membrane in which the silicon oxide film and the silicon nitride film under the lower electrode are floated. A seventh step;
상기 제 1과 2 포토레지스트층과 종자층의 일부를 제거하여 복수개의 공기유입구를 갖으며, 복수개의 지지부에 지지되어 부상되는 상부전극을 형성하는 제 8 단계로 구성된 음향 감지 소자의 제조방법이 제공된다.There is provided a manufacturing method of an acoustic sensing device comprising an eighth step of removing a portion of the first and second photoresist layer and the seed layer to have a plurality of air inlets, and to form a floating upper electrode supported by the plurality of support parts. do.
도 1a 내지 1j는 본 발명에 따른 음향 감지 소자의 제조 공정도이다.1A to 1J are manufacturing process diagrams of an acoustic sensing device according to the present invention.
도 2는 도 1j의 평면도이다.2 is a plan view of FIG. 1J.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 실리콘 기판 110,111 : 실리콘 산화막100 silicon substrate 110111 silicon oxide film
120,121 : 실리콘 질화막 130,180 : 금속층120,121 silicon nitride film 130,180 metal layer
131,320 : 하부전극 140,170 : 포토레지스트층131,320: lower electrode 140,170: photoresist layer
150,175,176 : 요홈 160 : 종자층(Seed layer)150,175,176: Groove 160: Seed layer
190,310 : 상부전극 191,311 : 공기유입구190,310: upper electrode 191,311: air inlet
140,170 : 포토레지스트층 400 : 기판140, 170 photoresist layer 400 substrate
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 1j는 본 발명에 따른 음향 감지 소자의 제조 공정도로써, 먼저, 실리콘 기판(100)의 표면에 실리콘 산화막(110,111)과 실리콘 질화막(120,121)을 순차적으로 형성한다.(도 1a)1A to 1J are manufacturing process diagrams of an acoustic sensing device according to the present invention. First, silicon oxide films 110 and 111 and silicon nitride films 120 and 121 are sequentially formed on a surface of a silicon substrate 100 (FIG. 1A).
그 후에, 상기 실리콘 기판(100) 상부에 있는 실리콘 질화막(120)의 상부에금속층(130)을 형성하고(도 1b), 상기 금속층(130)을 식각하여 음향 감지 소자의 하부전극(131)을 형성하거나 혹은 리프트 오프나 새도우 마스크 등으로 미리 선택적인 영역에만 금속층이 형성하도록 하여 하부 전극을 형성한다.(도 1c)Subsequently, the metal layer 130 is formed on the silicon nitride film 120 on the silicon substrate 100 (FIG. 1B), and the metal layer 130 is etched to form the lower electrode 131 of the acoustic sensing device. Alternatively, the lower electrode is formed by forming a metal layer only in a predetermined region by a lift-off or shadow mask or the like (FIG. 1C).
연이어, 상기 금속층(130)이 식각되어 노출된 실리콘 질화막(120)과 상기 하부전극(131)을 감싸며 제 1 포토레지스트층(140)을 형성하고(도 1d), 상기 제 1 포토레지스트층(140)을 식각하여 상기 하부전극(131)과 이격된 부분에 복수개의 요홈(150)들을 형성한다.(도 1e)Subsequently, the metal layer 130 is etched to surround the exposed silicon nitride film 120 and the lower electrode 131 to form a first photoresist layer 140 (FIG. 1D), and the first photoresist layer 140. ) Is formed to form a plurality of recesses 150 in a portion spaced apart from the lower electrode 131.
그 다음, 상기 제 1 포토레지스트층(140)과 복수개의 요홈(150)들을 감싸며 금속으로 이루어진 종자층(Seed layer)(160)을 형성하고(도 1f), 상기 종자층(160) 상부에 제 2 포토레지스트층(170)을 형성한 후, 상기 제 2 포토레지스트층(170)의 일부를 제거하여 음향 감지 소자의 지지부를 형성하기 위한 상기 복수개의 요홈(176) 영역을 형성하고, 상기 복수개의 요홈(150)들과 이격된 상기 하부전극(131) 상측에 음향 감지 소자의 공기유입구들을 형성하기 위한 복수개의 작은 요홈들(175)을 형성한다.(도 1g)Next, a seed layer 160 made of a metal is formed to surround the first photoresist layer 140 and the plurality of grooves 150 (FIG. 1F), and a first layer is formed on the seed layer 160. After the second photoresist layer 170 is formed, a portion of the second photoresist layer 170 is removed to form regions of the plurality of recesses 176 for forming a support of the acoustic sensing element. A plurality of small grooves 175 are formed on the lower electrode 131 spaced apart from the grooves 150 to form air inlets of the acoustic sensing element.
이어서, 상기 복수개의 요홈(176)과 복수개의 작은 요홈(175)들에 금속층(180)을 도금한다.(도 1h)Subsequently, the metal layer 180 is plated on the plurality of grooves 176 and the plurality of small grooves 175 (FIG. 1H).
계속하여, 상기 실리콘 기판(100)의 하부에 있는 실리콘 질화막(121), 실리콘 산화막(111)과 실리콘 기판(100)의 일부를 순차적으로 제거한다.(도 1i)Subsequently, the silicon nitride film 121, the silicon oxide film 111, and a part of the silicon substrate 100 under the silicon substrate 100 are sequentially removed (FIG. 1I).
이 때, 상기 하부전극(131)의 하측에 있는 상기 실리콘 산화막(110)과 실리콘 질화막(121)이 부상되어 멤브레인(Membrane)이 형성된다.At this time, the silicon oxide film 110 and the silicon nitride film 121 below the lower electrode 131 are floated to form a membrane.
마지막으로, 상기 제 1과 2 포토레지스트층(140,170)과 종자층의 일부를 제거하면 복수개의 공기유입구(191)를 갖으며, 복수개의 지지부에 지지되어 부상되는 상부전극(190)이 형성된다.(도 1j)Finally, when the first and second photoresist layers 140 and 170 and a part of the seed layer are removed, the first and second photoresist layers 140 and 170 may have a plurality of air inlets 191, and the upper electrode 190 may be supported and floated. (FIG. 1J)
여기서, 상기 공기유입구(191)는 부상된 상부전극(190) 영역에 형성되며, 상기 상부전극(190) 내측으로 이격된 상기 멤브레인 상부에는 하부전극(131)이 형성된다.Here, the air inlet 191 is formed in the floating upper electrode 190 region, the lower electrode 131 is formed on the membrane spaced apart inside the upper electrode 190.
전술된 공정으로 제조된 본 발명의 음향 감지 소자는 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(400)에 지지되어 부상된 상부전극(310)과, 상기 기판(400) 면에 형성되며 상기 상부전극(310)과 이격되어 상기 기판(400) 면에 형성된 하부전극(320)으로 구성된다.As shown in FIG. 2, the acoustic sensing device of the present invention manufactured by the above-described process is formed on the surface of the substrate 400 and the upper electrode 310 that is supported and floated on the substrate 400, and the upper electrode ( The lower electrode 320 is spaced apart from the 310 and formed on the surface of the substrate 400.
상기 상부전극(310)의 부상된 영역에는 복수개의 공기유입구(311)들이 형성되어 있고, 상기 상부전극(310)은 전극패드(312)와 연결되어 있다.A plurality of air inlets 311 are formed in the floating region of the upper electrode 310, and the upper electrode 310 is connected to the electrode pad 312.
그리고, 상기 하부전극(320)도 전극패드(322)와 연결되어 있다.The lower electrode 320 is also connected to the electrode pad 322.
본 발명은 전술된 바와 같은 제조 공정을 수행하여 콘덴서 마이크로폰의 음향 감지 구조부가 제조되며, 음향 감지 소자를 메탈캔 혹은 전자기 차폐처리된 세라믹 혹은 플라스틱 패키지에 삽입, 고정시킨 후, 필요할 경우 회로 소자를 추가하여 전극을 연결하고 음향이 들어갈 수 있는 부분을 제외하고는 밀봉하여 패키징함으로써 콘덴서 마이크로폰을 제작한다.According to the present invention, the acoustic sensing structure of the condenser microphone is manufactured by performing the manufacturing process as described above, and after inserting and fixing the acoustic sensing element in a metal can or an electromagnetic shielded ceramic or plastic package, a circuit element is added if necessary. The condenser microphone is manufactured by connecting the electrodes and sealing the package except for the part where sound can enter.
그리고, 음향 감지 소자의 제조 공정이 진행되기 전에 부가적인 회로의 집적화를 위해 CMOS, bipolar, biCMOS 공정 등이 선행할 수 있다.In addition, the CMOS, bipolar, and biCMOS processes may be preceded to integrate additional circuits before the manufacturing process of the acoustic sensing device is performed.
본 발명은 종래 기술과 같이 다결정 실리콘 및 질화산화막 등으로 이루어진 두꺼운 상부전극을 형성하지 않고 도금 공정으로 금속 상부전극을 형성함으로써 제조 비용을 줄일 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정기술을 이용하여 제조함으로써 초소형의 소자를 구현할 수 있는 효과가 발생한다.The present invention can reduce the manufacturing cost by forming a metal upper electrode by a plating process without forming a thick upper electrode made of polycrystalline silicon and nitride oxide film, as in the prior art, by using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) process technology By manufacturing, the effect of realizing an ultra-small device occurs.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to specific examples, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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