KR20040091207A - 압전 음향 변환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 음향 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 다각형 모양의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열됨어 전기적 신호와 기계적 진동으로 가역적이게 변환하는 압전 캐피시터부와, 상기 압전 캐피시터부의 각 변에 지지되어 그 중앙 공동지역에 위치함과 아울러 상기 압전 캐피시터부로부터 전달되는 기계적 진동을 음파로 변환하거나 또는 외부 음파를 상기 압전 캐피시터부로 전달하는 진동부로 구성하여, 상, 하부 전극 및 압전등의 적층에 따른 스트레스로 인하여 유발되는 전동부의 휨 현상 및 말림 현상을 최소화하여 외부 음파를 쉽게 감지하고 낮은 외부 전압에 의해 쉽게 진동하여 감도를 향상시키는 효과를 갖으며, 상기 압전 음향 변환기는 반도체 기판 위에 절연성 물질을 도포하여 절연층을 형성한 후, 그 위에 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 공정과; 하부 전극 위에 금속 층을 증착한 다음 패터닝하여 힌지 층을 형성하는 공정과; 상기 하부 전극과 힌지를 포함하는 기판위에 압전층을 증착한 후 패터닝하는 공정과; 상기 압전층에 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 상부 전극을 형성하는 공정과; 상부 전극, 압전층, 지지층, 및 절연층을 습식 식각 및 건식 식각함과 아울러 하부 전극을 에칭하여 에어캡을 형성하는 식각 공정을 통한 압전 음향 변환기의 제조방법에 의하여 미세가공에 따른 소형화와 대량 생산을 수행할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

압전 음향 변환기 및 그 제조 방법 {PIEZOELECTRIC ACOUSTIC TRANSDUCER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 압전 음향 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 안전성을 향상시킴과 아울러 소자의 음향 감도 및 음향 출력을 향상시킬 수 있도록 하는 압전 음향 변화기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 압전 음향 변환기란 음향 에너지를 전기적으로 바꿔주는 마이크로폰과 전기적 에너지를 음향 에너지로 바꿔주는 마이크로 스피커를 일컫는 말이다. 최근 전자 기기의 소형화에 따라 미세 기전 시스템(MEMS; Mico Elector-Mechanical System)기술을 이용한 마이크로 폰(Micro-Phone)과 마이크로 스피커(Micro Speaker)에 의한 음향 소자가 개발되고 있다.

이러한, 소형 음향 소자는 휴대폰, 피디에이(PDA: Personal Digital Assistant) 및 이어폰 등의 적용을 목적으로 개발과정에 있으며, 미세 기전 시스템(MEMS) 기술을 이용한 음향 변환기는 그 동작 원리에 따라 압전형, 압저항형 및 용량형으로 각각 나누어진다.

이하, 종래의 압전 음향 변화기를 첨부한 도면에 따라 설명하면, 도 1은 종래 맴브레인형 압전 음향 변환기를 보인 정단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 종래 맴브레인형 압전 음향 변환기는 반도체 기판(111)과, 그 반도체 기판(111)에 형성된 지지층(112)의 상측에 위치되는 하부 전극(113)과, 상기 하부 전극(113)의 상측에 위치하여 전계가 가해지면 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 진동하는 압전층(114)과, 상기 압전층(114)의 상측에 위치하는 상부 전극(115)으로 구성되며, 상기 도체 기판은 상기 반도체 기판의 하측 가운데 부분을 습식 에칭을 통해 제거되어 구성된다.

이와 같은 구성에 의하여, 맴브레인형 압전 음향 변환기를 이용한 압전형 마이크로폰은 가공에 따라 아주 작은 크기로 일괄 제조 공정에 의해 만들 수 있으며, 제조 공정이 비교적 간단하여 단가를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 현재 상업용으로 시판되는 압전형 마이크로 폰의 경우 용량형 마이크로 폰에 비하여 감도가 떨어지는 문제점을 갖는다.

이러한 문제점을 보안하기 위한 종래의 캔틸레버형 압전 음향 변환기를 첨부한 도면에 따라 설명하면, 도 2는 종래 캔틸레버형 압전 음향 변환기를 보인 평면도이고, 도 3은 종래 캔틸레버형 압전 음향 변환기를 보인 정단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 캔틸레버형 압전 음향 변환기는 반도체 기판(121)과, 그 반도체 기판(121) 위에 삼면이 습식 및 건식 식각에 의해 에어 갭(Air-Gap)이 형성된 캔틸레버 형태의 지지층(122)과, 상기 지지층(121)의 상측에 위치되는 하부 전극(123)과, 상기 하부 전극(123)의 상측에 위치하여 전계가 가해지면 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 진동하는 압전층(124)과, 상기 압전층(124)의 상측에 위치하는 상부 전극(125)으로 구성된다.

그리고, 진동판을 구성하는 상기 압전층(124)을 포함하는 지지층(121)의 둘레를 식각하여 음파에 대한 외부 압력에 대해 쉽게 반응하도록 하였다.

그러나, 하부 전극(123), 압전층(124), 그리고 상부 전극(125) 등 여러 가지 층이 적층된 경우 지지층(121)에 큰 스트레스가 유발되고, 이러한 스트레스는 압전층(124)을 포함하는 진동판의 휨 형상, 말림 현상 및 충격에 의한 파괴 등을 야기 할 수 문제점을 갖는다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명에 따르면 압전 음향 변환기 감도를 향상시킴과 아울러 전극 및 압전체 층들의 적층에 따른 스트레스로 인하여 유발되는 전동판의 휨 현상 및 말림 현상을 최소화하여 외부 음파를 쉽게 감지하고 외부 전압에 의해 쉽게 진동하도록 할 수 있는 압전 음향 변환기 및 그 제조 방법의 제공을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래 맴브레인형 압전 음향 변환기를 보인 정단면도,

도 2는 종래 캔틸레버형 압전 음향 변환기를 보인 평면도,

도 3은 종래 캔틸레버형 압전 음향 변환기를 보인 측단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기를 구조를 보인 사시도,

도 5는 도 4의 A-A부분 절개 단면도,

도 6 또는 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기의 실사용 일 예를 보인 정단면도,

도 8 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기의 제조 공정을 도시한 도면,

도 14는 본 발명의 변형예에 따른 압전 음향 변환기를 보인 사시도,

도 15 내지 도 18은 본 발명의 변형예에 따른 압전 음향 변환기의 제조공정을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

1, 11 : 반도체 기판 2, 12 : 절연층

3, 13 : 하부 전극 4, 14 : 압전층

5, 15 : 상부 전극 6 : 진동층

7 : 힌지

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다각형 모양의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열되어 전기적 신호와 기계적 진동으로 가역적이게 변환하는 압전 캐피시터부와, 상기 압전 캐피시터부의 각 변에 지지되어 그 중앙 공동지역에 위치함과 아울러 상기 압전 캐피시터부로부터 전달되는 기계적 진동을 음파로 변환하거나 또는 외부 음파를 상기 압전 캐피시터부로 전달하는 진동부로 구성됨을 특징으로 하는 압전 음향 변화기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 압전 캐피시터부는 절연성 물질이 도포되어 절연층이 형성됨과아울러 상기 공동지역 가장자리의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열되는 각각의 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상측에 패터닝 되는 힌지와, 상기 힌지의 상측에 패터닝 되는 압전층과, 상기 압전층의 상측에 패터닝 되는 상부 전극으로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 압전 캐피시터부는 고정되는 한 변과, 고정되지 않은 세변으로 이루어진 직사각 형태로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 압전 캐패시터부는 각 변 하나의 단자로 연결함이 보다 효과적이다.

또한, 상기 진동부는 압전 캐피시트부의 힌지에 의해 소정의 에어 갭을 가지고 공동지역 중앙에 지지되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상측에 증착되는 진동층으로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 하부 전극을 패터닝하여 각 변에 에어 갭을 형성함과 아울러 상기 하부 전극을 지지하기 위한 힌지를 일체로 형성함이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 압전 음향 변환기를 도시한 도면에 따라 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 압전 음향 변환기를 보인 사시도이고, 도 5는 도 4의 B-B 부분 측단면도이며, 도 6 또는 도 7은 본 발명의 압전 음향 변환기의 실 사용 예를 도시한 도면이다.

도 4 또는 도 5에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기(10)는 크게 나누면 다각형 모양의 공동지역 중앙에 위치하는 진동부과, 그 진동판이 위치하는 공동지역 가장자리의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열되는 압전 캐피시터부로 구성된다.

상기 압전 캐피시터부는 절연성 물질이 외표면에 도포되어 절연층이 형성됨과 아울러 상기 공동지역 가장자리의 각 변에 엇갈려 배열되는 반도체 기판(1)과, 각 반도체 기판(1) 위에 힌지(7)가 패터닝되고, 그 힌지(7)의 상측에 패터닝 되는 압전층(4)과, 상기 압전층(4)의 상측에 패터닝 되는 상부 전극(5)으로 이루어진다.

또한, 상기 압전 캐피시터부는 고정되는 한 변과, 고정되지 않은 세 변으로 이루어진 직사각 형태로 이루어지며, 각 변 하나의 단자로 연결함이 보다 효과적이다.

상기 진동부는 힌지(7)에 의하여 공동지역 중앙에 지지 고정되는 하부 전극(3)과, 상기 하부 전극(3)의 상측에 증착되는 진동층(6)으로 이루어진다.

또한, 상기 진동판과 각 압전 캐피시터부 사이의 에너지 전달에 사용되는 힌지(7)는 하부전극(3)을 이용하여 일체로 형성함을 바람직하다.

이러한 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

외부 음압에 의하여 반도체 기판(1)의 공동 지역의 정 중앙에 위치한 진동부에 형성되는 진동을 하부 전극(3)을 지지하는 힌지(7)를 통해 압전층(4)으로 전달하고, 상기 압전층(4)으로 전달된 진동은 압전층(4)을 포함하는 압전 캐피시터부에서 의해 전기적인 신호로 바꾸어 준다.

반대로, 압전 캐피시터부로 전달된 전기적인 신호는 압전층(4)을 통하여 기계전 진동으로 변화되고, 그 변환된 기계적 진동은 힌지(7)를 통하여 하부전극(3)상측에 증착된 진동층(6)에 전달되어 음압을 발생시키도록 작동한다. 따라서, 하나의 소자를 이용하여 마이크로 폰 및 마이크로 스피커 기능 모두를 수행하도록 한다.

그리고, 상기 진동부를 다각형 모양의 공동지역 가장자리에 위치시키고 압전층을 포함하는 압전 케피시터부를 다각형 모양의 각 변에 평행하게 엇갈려 비치시킴에 따라 따라서 상, 하부 전극(3)(5) 및 압전층(4) 들의 적층에 따른 스트레스로 인해 유발되는 진동부의 휨 현상 및 말림 현상을 최소화할 수 있다.

또한, 상기 진동부의 힌지(7)에 의해 압전 캐피시터부의 중앙에 위치하도록 연결됨에 따라 외부 음파를 쉽게 감지하고 외부 전압에 의해 쉽게 진동할 수 있도록 한다.

한편, 본 발명의 압전 음향 변환기의 실 사용예를 도시한 도면에 따라 설명하며, 도 6에서 도시한 바와 같이, 압전 음향 변환기(10)를 벌크 식각하여 형성하는 경우 음파의 입출력을 압전 음향 변환기의 후면을 사용하도록 한다.

또한, 도 7에서 도시한 바와 같이, 압전 음향 변환기(10)를 표면식각 방식으로 형성하는 경우, 압전 음향 변환기(10)의 주변에 음파 가이드(9)를 웨이퍼에 부착하고 진동판의 표면 식각에 의해 제거된 공동공간(8) 위에서 이루어지도록 한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기의 제조 방법을 첨부도면을 참조하여 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 8 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 음향 변환기의 제조 과정을 도시한 도면이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 반도체 기판 위에 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물과 같은 절연성 물질을 도포한 후, 그 상측에 금속 층을 증착 후 패터닝함으로써 하부 전극을 형성한다.

도 9에 도시한 바와 같이, 하부 전극과 절연성 물질 위에 걸쳐서 압전층을 형성한다.

이때, 하부 전극으로 사용되는 금속층 물질 및 압전층의 조합을 영의 모듈(Young's Modules)이 낮은 Au/Cu로 하부 전극을 형성하고 그 상측에 우수한 배향성을 갓고 성장할 수 있는 AlN막으로 구성햐거나, 또는 Pt로 하부 전극을 형성하고 그 상측에 PbTiO₃, PLT 및 PZT 등의 조합하여 구성함이 바람직하다.

도 10에 도시한 바와 같이, 진동층을 증착한 후 하부 전극 위에 압전층과 격리되도록 패터닝한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 금속층을 증착한 후 패터닝하여 상부 전극을 형성하여 압전 캐피시터부를 완성한다.

한편, 도 12에 도시한 바와 같이, 반도체 기판의 벌크 식각을 위하여 기판 뒷면의 절연성 물질을 패터닝하여 식각해 낸다 이때, 기판 뒷면에 형성되는 패턴은 기판 앞면의 진동판과 중심을 일치시킨다.

마지막으로, 도 13에 도시한 바와 같이, 반도체 기판을 습식 또는 건식으로 벌크 식각한 후 힌지 부분 및 절연성 물질 부분을 식각해 낸다.

또한, 힌지는 하부 적극을 이용하여 시각 공정을 통해 형성하도록 하는데 패턴의 모양에 따라 힌지에 해당하는 하부 전극을 식각해 내어 공정을 완성한다.

본 발명의 변형예에 따른 압전 음향 변환기를 도시한 도면에 따라 설명하면 다음과 같다. 도 14은 본 발명의 다른 변형예에 따른 압전 음향 변환기를 보인 사시도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명이 변형예에 따른 압전 음향 변환기(20)는 각형의 각 변에 평행하게 엇갈려 배치되는 각 압전 캐피시터부와, 의 중앙 공동지역의 반도체 기판 상측에 도포된 절연층(12)으로 형성되는 진동부로 구성된다.

상기 압전 캐피시터부는 절연층(12)이 형성된 반도체 기판(11)과, 그 반도체 기판(11) 위에 패턴닝 된 하부 전극(13)과, 상기 절연층(12)과 하부전극(13) 상측에 패터닝되는 압전층(14)과, 상기 압전층(14)의 상측에 패터닝되는 상부 전극으로 이루어진다.

상기 진동부는 실리콘 질화물 또는 폴리머를 반도체 기판(11) 위에 도포된 절연층(12)을 이용하고, 그 절연층(12)은 각 압전 캐피시터부의 중앙 공동지역에 에어갭(Air-Gap) 없이 지지되도록 형성한다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 변형예에 따른 압전 음향 변환기(20)는 진동부를 절연층(12)을 이용하므로 일 실시예의 압전 음향 변환기(10)에 비하여 감도는 다소 떨어지나 구조를 단순화시킬 수 있으며, 진동부를 이루는 절연층(12)이 각 변의 압전 캐피시터부에 의해 지지됨에 따라 휨 현상 및 말림 현상을 최소화할 수 있는 안정적인 구조를 갖는다.

한편, 본 발명의 변형예에 따른 압전 음향 변환기의 제조 방법을 첨부도면을 참조하여 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 15 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 대한 압전 음향 변환기의 제조 공정을 보인 공정도이다.

먼저, 도 15에 도시한 바와 같이 반도체 기판(11) 위에 실리콘 질화물 또는 폴리머/금(Au)을 도포하여 절연층(12)을 형성한 후, 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 하부 전극(13)을 형성한다.

도 16에 도시한 바와 같이, 하부 전극(13)과 절연층 위에 걸쳐서 압전 물질을 증착한 후 패터닝하여 압전층(14)을 형성한다.

그리고, 도 17에 도시한 바와 같이, 상기 압전층(14) 상측에 금속층을 증착한 후 패터닝하여 상부 전극(15)을 형성하여 압전 캐피시터부를 완성한다.

한편, 도 18에 도시한 바와 같이 반도체 기판(11)의 벌크 식각을 위하여 기판 뒷면의 절연층(12)을 식각 해 낸 후, 마지막으로 반도체 기판을 습식 또는 건식으로 벌크 식각한다.

이때, 상기 절연층을 실리콘 질화물로 쓸 경우는 실리콘 질화물 자체가 식각 정지층이 되며 폴리머/금(Au) 층을 사용할 경우는 금(Au)이 식각 정지층이 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 힌지층이 다각형의 각변에 연결되어 있어 구조적 안정성, 신뢰성 및 수율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 음파에 의해 진동판의 기계적 진동이 압전 캐피시터에 직접적으로 전달되거나, 혹은 압전 캐피시터의 전기적 신호가 진동판에 직접적으로 전달되어 마이크로 폰으로 응용할 경우 높은 감도를 또한 마이크로스피커로 응용할 경우 높은 음파 출력을 얻을 수 있다.

마지막으로, 다각형 모양의 진동판을 압전 캐피시터가 교차적으로 둘러쌓는 방식을 취해 압전 캐피시터의 면적을 최대화 할 수 있게 하여 효율을 증가시켰으므로 동작 전압을 낮추는 효과를 갖는다.

Claims (12)

1. 다각형 모양의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열됨어 전기적 신호와 기계적 진동으로 가역적이게 변환하는 압전 캐피시터부와, 상기 압전 캐피시터부의 각 변에 지지되어 그 중앙 공동지역에 위치함과 아울러 상기 압전 캐피시터부로부터 전달되는 기계적 진동을 음파로 변환하거나 또는 외부 음파를 상기 압전 캐피시터부로 전달하는 진동부로 구성됨을 특징으로 하는 압전 음향 변화기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 캐피시터부는 절연성 물질이 도포되어 절연층이 형성됨과 아울러 상기 공동지역 가장자리의 각 변에 평행하게 엇갈려 배열되는 각각의 반도체 기판과; 상기 반도체 기판 위에 패터닝 되는 힌지와; 상기 힌지의 상측에 패터닝 되는 압전층과; 상기 압전층의 상측에 패터닝 되는 상부 전극으로 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 압전 캐피시터부는 고정되는 한 변과, 고정되지 않은 세 변으로 이루어진 직사각 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 압전 캐패시터부는 각 변 하나의 단자로 연결함을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 진동부는 각 압전 캐피시트부의 힌지에 의해 공동지역 중앙에 소정의 에어 갭을 갖고 지지되는 하부 전극과, 상기 하부 전극 상측에 증착되는 진동층으로 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 하부 전극을 패터닝하여 각 변에 에어 갭 형성함과 아울러 상기 하부 전극을 지지하는 힌지를 일체로 형성시킴을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 진동부는 각 압전 캐피시터부에 공동지역 중앙에 위치하는 반도체 기판상측에 도포된 절연층으로 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기.
8. 반도체 기판 위에 절연성 물질을 도포하여 절연층을 형성한 후, 그 위에 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 하부 전극을 형성하는 공정과;

   하부 전극 위에 금속 층을 증착한 다음 패터닝하여 힌지 층을 형성하는 공정과;

   상기 하부 전극과 힌지를 포함하는 기판 위에 압전층을 증착한 후 패터닝하는 공정과;

   상기 압전층에 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 상부 전극을 형성하는 공정과;

   상부 전극, 압전층, 지지층, 및 절연층을 습식 식각 및 건식 식각함과 아울러 하부 전극을 에칭하여 에어 갭을 형성하는 각각의 식각 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기 제조 방법
9. 반도체 기판 위에 절연성 물질을 도포하여 절연층을 형성한 후, 그 위에 금속층을 증착한 다음 패터닝하여 하부 전극 형성하는 공정과;

   상기 하부 전극과 절연성 물질 위에 걸쳐서 압전 물질을 증착한 후 패터닝하여 압전층을 형성하는 공정과;

   상기 압전층 상측에 금속층을 증착한 후 패터닝하여 상부 전극을 형성하는 공정과;

   상기 반도체 기판의 벌크 식각을 위하여 기판 뒷면의 절연성 물질을 패터닝하여 식각해 낸 후, 습식 또는 건식으로 벌크 식각하는 각각의 식각 공정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 압전 음향 변환기의 제조 방법.
10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

    상기 절연층은 실리콘 질화물 또는 폴리머/금(Au)으로 이루어짐을 특징으로하는 압전 음향 변환기의 제조 방법.
11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

    상기 하부 전극 또는 힌지는 Au/Cr로 형성되고, 상측에 패터닝되는 압전층은 AlN 막으로 형성됨을 특징으로 하는 압전 음향 변환기 제조 방법.
12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,

    상기 하부 전극 또는 힌지는 Pt로 형성되고, 상측에 패터닝되는 압전층은 PbTiO₃, PLT, 또는 PZT로 형성됨을 특징으로 하는 압전 음향 변환기 제조 방법.