KR20090119268A

KR20090119268A - 실리콘 콘덴서 마이크로폰 및 이에 사용되는 실리콘칩의제조방법

Info

Publication number: KR20090119268A
Application number: KR1020080045195A
Authority: KR
Inventors: 진익만
Original assignee: 진익만
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-19

Abstract

본 발명은 실리콘기판을 이용하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰과 이에 사용되는 실리콘칩의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 실리콘 콘덴서 마이크로폰은, 저면에 외부연결단자가 형성된 PCB; 상기 PCB의 상면에 결합되며, 실리콘기판과 상기 실리콘기판의 상부에 형성된 도전층을 구비하는 실리콘칩; 상기 PCB의 상면에 결합되는 증폭수단; 상기 실리콘칩의 상부에 절연성 스페이서를 개재하여 이격 설치되는 금속재질의 진동막; 음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 실리콘칩, 상기 증폭수단, 상기 진동막을 커버하면서 상기 PCB에 결합되는 케이스를 포함한다.

본 발명에 따르면, 종래의 ECM 또는 MEMS마이크로폰에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, MEMS마이크로폰에 비해 잡음이 적고 우수한 음질을 구현하는 마이크로폰을 제공할 수 있다. 또한 ECM이나 MEMS마이크로폰에 비해 제조공정이 간단하여 생산성이 높고, 이로 인해 ECM과도 가격경쟁력을 가지는 마이크로폰을 제공할 수 있다.

실리콘 콘덴서 마이크로폰

Description

실리콘 콘덴서 마이크로폰 및 이에 사용되는 실리콘칩의 제조방법{Silicon condenser microphone and manufacturing method of silicon chip thereof}

본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 실리콘기판을 이용한 콘덴서 마이크로폰과 이에 사용되는 실리콘칩의 제조방법에 관한 것이다.

마이크로폰(또는 마이크)은 음향신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로서 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 대체적으로 재질에 따라서는 카본 마이크로폰, 크리스탈 마이크로폰, 마그네틱 마이크로폰 등으로 구분되고, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰과, 진동막이 콘덴서의 전극역할을 하고 진동막의 진동에 따른 전압변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분될 수 있다.

이중에서 컴퓨터, 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋, 보청기 등과 같은 휴대용 또는 소형 전자기기에 광범위하게 사용되는 것이 콘덴서 마이크로폰이다. 특히 최근에는 강한 전기장에 의해 반영구적으로 분극된 일렉트릿(electret)층이 형성된 전극을 이용함으로써 DC바이어스전원을 사용하지 않는 ECM(Electret Condenser Microphone)이 많이 사용되고 있다.

ECM(10)은 일반적으로 도 1의 단면도에 도시된 바와 같이, 일측이 개구되고 타측에 음공(12)이 형성된 금소재질의 케이스(11)의 내부에 진동막(diaphragm)(13), 스페이서(14), 절연링(15), 백플레이트(16), 도전링(17)이 순차적으로 삽입되고, 케이스(11)의 개구된 일측에 회로부품이 실장된 PCB(18)가 결합된 구조를 가진다.

진동막(13)은 케이스(11)의 내측과 밀착되는 금속링(13a)과 음압에 따라 진동하는 진동막(13b)으로 이루어진다. 특히 진동막(13b)은 백플레이트(16)와 함께 콘덴서 역할을 하므로 PET, PPS 재질의 필름에 금, 니켈, 알루미늄, 티나늄 등의 금속물질을 증착하여 제조한다.

스페이서(14)는 진동막(13)과 백플레이트(16)를 이격시키기 위해 설치되며, PET, PPS 등의 절연물질로 제조된다.

백플레이트(16)는 진동막(13)과 평행하게 설치되는 금속재질의 플레이트이다. ECM(10)에서는 DC바이어스를 위하여 일렉트릿층이 형성된 백플레이트(16) 또는 진동막(13b)이 이용된다.

진동막(13)은 케이스(11)를 통해 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결되고, 백플레이트(16)는 금속재질의 도전링(17)에 의해 지지되면서 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결된다. 백플레이트(16)와 도전링(17)은 그 외주를 둘러싸는 절연링(15)의 의해 케이스(11)와 절연된다.

PCB(18)에는 진동막(13)과 백플레이트(16)의 양단에 걸리는 전압신호를 증폭하는 FET 등의 증폭회로(19)와 주변회로가 실장된다.

그런데 이러한 ECM(10)은 다음과 같은 여러 문제점을 가지고 있다.

첫째, 백플레이트(16) 또는 진동막(13)의 일렉트릿층에 전하분포를 균일하게 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에 제품별로 감도(sensitivity)의 편차가 큰 문제점이 있다.

둘째, 일렛트릿층이 열에 취약하기 때문에 완성품을 전자기기의 기판에 표면실장할 때 고온의 리플로우(reflow) 공정을 적용하지 못하고 납땜으로 장착해야 하므로 생산성을 높이는데 한계가 있다. 또한 진동막, 스페이서, 절연링, 백플레이트, 도전링 등의 많은 부품을 조립해야 하므로 조립공수가 지나치게 많은 단점이 있다.

셋째, 습기가 많은 환경에서는 일렉트릿층에 충진된 전하가 유출되어 감도가 일정하게 유지되지 못하는 문제가 있다.

넷째, 불량검사를 위해 조사되는 레이저 또는 적외선 때문에 일렉트릿층의 전하가 영향을 받아 설정된 감도와 완성품의 감도가 달라지는 현상으로 인해 제품의 불량률이 매우 높다.

한편 최근에는 전자기기의 소형화가 가속화되면서 반도체 제조기술을 응용하여 전통적인 마이크로폰 부품들을 초정밀 미세 가공한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰이 개발되고 있다.

MEMS마이크로폰(20)은 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, 저면에 외부연결단자(22)가 형성된 PCB(21), PCB(21)의 상면에 표면실장된 MEMS칩(30)과 증폭회로(25), MEMS칩(30)의 일 전극과 증폭회로(25)를 연결하는 본딩와이어(26), MEMS칩(30)과 증폭회로(25)를 보호하기 위해 PCB(21)에 결합되고 음공(24)을 가지는 금속재질의 케이스(23)를 포함한다.

MEMS칩(30)은 관통공(32)이 형성된 실리콘기판(31), 실리콘기판(31)의 상부에 형성된 진동막(33), 에어갭(36)을 사이에 두고 진동막(34)의 상부에 형성되고 다수의 음공(35)을 가지는 고정막(34)을 포함한다.

MEMS칩(30)은 반도체 제조기술로 제조되는데, 예를 들어 (a) 실리콘기판(31)의 상부에 진동막층을 형성하는 단계, (b) 진동막층의 상부에 희생막층을 형성하는 단계, (c) 희생막층의 상부에 고정막층을 형성하는 단계, (d) 습식식각(wet etching)을 통해 실리콘기판(31)에 관통공(32)을 형성하는 단계, (e) 습식식각을 통해 희생막층을 제거하여 진동막층과 고정막층의 사이에 에어갭(36)을 형성하는 단계 등의 프로세서를 거쳐서 제조된다. 여기서 진동막층이나 고정막층은 서로 커패시터의 전극쌍을 이루기 때문에 도전막을 포함하고, 도전막을 보호 또는 절연하는 보호막을 포함한다.

이러한 구조를 가지는 MEMS마이크포폰(20)은 열에 취약한 일렉트렛 소재를 사용하지 않기 때문에 고온 리플로우 공정으로 휴대폰 등의 기판에 표면실장하는 것이 가능하다.

그러나 MEMS마이크로폰(20)은 이러한 장점에도 불구하고 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

즉, 초정밀 반도체 제조기술이 이용되고 강한 증폭을 위해 증폭회로(25)에 고가의 CMOS를 사용하므로 ECM(10)에 비해 가격이 2배 이상 비싸다.

또한 실리콘 재질의 진동막(33)이 충격에 취약하므로 진동막(33)의 직경을 크게 하기가 어려우며, 이로 인해 상대적으로 큰 직경의 진동막을 가지는 ECM(10)에 비해 음질이 크게 뒤떨어진다. 또한 CMOS를 사용하기 때문에 잡음이 크다.

이러한 문제점으로 인해 MEMS마이크로폰(20)은 아직까지 ECM(10)을 대체할 만한 제품으로 부상하지 못하고 있으며, 실제로도 전세계 마이크 시장에서 차지하는 비율이 5~6% 정도에 불과한 실정이다.

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 종래의 ECM 및 MEMS마이크로폰이 가지는 문제점을 해결한 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

구체적으로는 고온 리플로우 공정으로 소형 전자기기의 기판에 표면실장함으로써 생산성을 높이고, 종래의 ECM에 비해 제품불량을 최소화할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 종래의 MEMS마이크로폰이나 ECM에 비해 제조공정을 단순화함으로써 생산비용을 최소화할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 종래의 MEMS마이크로폰에 비해 음질이 뛰어나고 내구성이 뛰어난 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 저면에 외부연결단자가 형성된 PCB; 상기 PCB의 상면에 결합되며, 실리콘기판과 상기 실리콘기판의 상부에 형성된 도전층을 구비하는 실리콘칩; 상기 PCB의 상면에 결합되는 증폭수단; 상기 실리콘칩의 상부에 절연성 스페이서를 개재하여 이격 설치되는 금속재질의 진동막; 음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 실리콘칩, 상기 증폭수단, 상기 진동막을 커버하면서 상기 PCB에 결합되는 케이스를 포함하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰을 제공한다.

상기 실리콘 콘덴서 마이크로폰에서, 상기 실리콘칩의 상기 도전층에는 DC바이어스 전원이 연결되고, 상기 진동막은 상기 케이스와 접촉함으로써 접지되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 도전층은 본딩와이어, 상기 실리콘칩에 형성된 쓰루홀 또는 상기 실리콘칩의 측면에 형성된 배선패턴을 통해 상기 PCB상의 회로패턴에 전기적으로 연결될 수 있다.

또한 본 발명은 전술한 실리콘 콘덴서 마이크로폰에 사용되는 실리콘칩을 제조하는 방법에 있어서, (a) 웨이퍼의 상면에 도전층을 형성하는 단계 (b) 상기 도전층의 상면에 절연층을 형성하는 단계 (c) 상기 도전층의 상면에서 진동막에 대응하는 제1영역을 제외한 제2영역에 스페이서층을 형성하는 단계 (d) 상기 웨이퍼 를 단위 실리콘칩으로 절단하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공한다.

상기 제조방법에서 상기 단계(c)에서는 상기 절연층에서 상기 제1영역을 소정 두께만큼 식각해내거나, 상기 제2영역에 스페이서층을 증착하거나, 상기 제2영역에 대응하는 영역이 개구된 절연성 필름을 상기 절연층의 상부에 부착함으로써 상기 스페이서층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로폰은, 종래의 ECM또는 MEMS마이크로폰에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, MEMS마이크로폰에 비해 잡음이 적고 우수한 음질을 구현할 수 있다.

또한 ECM이나 MEMS마이크로폰에 비해 제조공정이 간단하여 생산성이 높고, 이로 인해 ECM과도 가격경쟁력을 가지는 마이크로폰을 제공할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 실리콘 콘덴서 마이크로폰(100)은 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 저면에 외부연결단자(112)가 형성된 PCB(110), PCB(110)의 상면에 표면실장된 실리콘칩(120)과 증폭수단(150), 실리콘칩(130)의 상면에 형성된 스페이서(130), 스페이서(130)의 상부에 위치하는 진동막(140), 상기 진동 막(140), 실리콘칩(130) 및 증폭수단(150)을 커버하면서 PCB에 결합하는 케이스(160)를 포함한다.

실리콘칩(120)은 진동막(140)과 함께 콘덴서를 구성하며, 실리콘기판(또는 웨이퍼)(122)위에 도전층(124)과 절연층(126)을 순차적으로 적층하여 제조된다.

도전층(124)은 실리콘기판(122)에 금속(예,Au) 물질을 스퍼터링법 또는 CVD법으로 형성한다. 절연층(126)은 SiO2 등의 절연물질로 이루어지며 예를 들어 PECVD법으로 형성한다.

이러한 실리콘칩(120)은 실리콘기판(122)에 전술한 도전층(124). 절연층(126)을 순차적으로 형성한 후에 소정 크기로 절단하여 제조하므로 종래의 MEMS칩에 비해 훨씬 간단한 공정으로 제조할 수 있다.

한편 실리콘칩(120)의 도전층(124)은 외부의 DC바이어스전원과 연결하기 위하여 하부의 PCB(110)상에 형성된 회로패턴과 전기적으로 연결된다. 연결방법으로는 실리콘기판(122)의 측면에서 저면까지 이어지는 도전성패턴(미도시)을 형성하는 방법, 실리콘기판(122)을 관통하는 쓰루홀(미도시)을 형성하는 방법, 도전층(124)의 상부 가장자리 일부를 노출시켜 와이어본딩으로 PCB기판(110)의 회로패턴에 연결하는 방법 등이 있다.

실리콘칩(120)의 상부, 구체적으로는 절연층(126)의 상부에는 진동막(140)과 대향하는 중앙부를 제외한 주변부에 절연성 재질의 스페이서(130)를 형성한다.

스페이서(130)는 절연층(126)의 주변부에 CVD법으로 증착하여 형성할 수도 있고, 중앙부가 개구된 절연성 필름을 실리콘칩(120)의 상부에 부착하여 형성할 수도 있다.

절연층(120)의 주변부에 CVD법으로 스페이서(130)를 증착하는 경우에는, 웨이퍼에 도전층(124), 절연층(126) 및 스페이서(130)를 연속적으로 형성한 후에 단위 실리콘칩(120)으로 절단할 수 있다. 따라서 이 경우에는 실리콘칩(120)이 스페이서(130)까지 구비한 형태로 제공될 수 있다.

실리콘칩(120)의 상부에 스페이서(130)를 증착 또는 부착하지 않고, 절연층(126)을 미리 충분한 두께로 증착한 후에 중앙부만을 식각함으로써 상대적으로 돌출된 주변부를 스페이서(130)로 활용할 수도 있다.

이러한 방법은 종래의 MEMS마이크로폰의 MEMS칩을 제조하는 경우에 비해서 매우 간단한 것이다. 따라서 MEMS마이크로폰에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 생산하는 것이 가능해진다.

스페이서(130)의 상부에는 진동막(140)을 설치한다. 본 발명에서는 내구성을 높이고 제작공정을 단순화하기 위해 알루미늄, 티타늄, 금 등 금속재질의 진동막(140)을 이용한다. 본 발명의 마이크로폰(100)은 두께 약 2~4마이크로미터, 가로세로 각각 1.5mm~2mm 의 진동막(140)을 이용할 수 있으며, 따라서 종래의 ECM이나 MEMS마이크로폰처럼 소형 전자기기에 사용될 수 있다.

증폭수단(150)은 DC바이어스가 인가되는 실리콘칩(120)의 도전층(124)과 전기적으로 연결되며, 인가된 음압에 따른 전압변화를 검출하여 증폭하는 역할을 한 다. 증폭수단(150)에는 CMOS에 비해 잡음이 덜하고 가격이 상대적으로 저렴한FET(JFET 또는 MOSFET)가 이용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 마이크로폰(100)은 금속재질의 진동막(140)을 이용하므로 진동막(140)을 MEMS마이크로폰에 비해 훨씬 크게 형성하는 것이 가능하다. 다만 소형 전자기기용으로 제조해야 하므로 ECM과 비슷한 크기 또는 그 이하로 제조하는 것이 바람직하다. 따라서 작은 진동막으로 인해 증폭율이 큰 CMOS를 굳이 이용하지 않아도 되며, 이를 통해서도 제작비용을 낮출 수 있다. 그렇다고 해서 CMOS의 사용이 배제되는 것이 아님은 물론이다.

케이스(160)는 진동막(140)의 상부에 음압이 가해지는 음공(162)을 가지며, 역시 금속재질로 제조된다.

케이스(160)는 PCB(110)의 회로패턴과 진동막(140)을 전기적으로 연결하는 도전수단으로 이용되며, 따라서 케이스(160)와 진동막(140)은 서로 접촉하거나 전기적으로 연결되어야 한다.

이를 위해서 스페이서(130)의 상부에 진동막(140)을 올려놓고 케이스(160)를 결합할 때, 케이스(160)의 천정부가 진동막(140)에 접촉되도록 결합한다.

다른 방법으로서 케이스(160)를 성형할 때, 음공(162)이 형성된 금속모재의 일측에 접착제 등을 통해 진동막(140)을 접합시킨 다음 진동막이 접합된 채로 금속모재를 성형할 수도 있다. 이 방법에 의하면 완성품 조립공수가 줄어드는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 마이크로폰(100)의 변형예를 도시한 것으로서, 케이스(160)에서 진동막(140)의 상부에 대응하는 영역에 돌출부(164)를 형성하고 상기 돌출부(164)의 상면에 음공(162)을 형성한 점에 특징이 있다. 상기 돌출부(164)는 진동막(140)을 보호하는 한편 케이스(160)를 PCB(110)에 결합한 후에 보호용러버(미도시)를 장착하는 용도로 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰(100)의 회로구성을 예시한 블록도이다. 본 발명의 마이크로폰(100)은 마이크유닛(M)과 마이크유닛(M)의 전압변화를 증폭하는 증폭수단(150)으로 구성된다.

마이크유닛(M)은 실리콘칩(120)과 진동막(140)을 포함하며, 실리콘칩(120)에는 약12V의 바이어스DC전원(V_BIAS)이 인가되고 진동막(140)은 케이스(160)를 통해 PCB(110)의 접지선에 접지된다.

또한 증폭수단(150)이 FET인 경우에 드레인(D)에는 약 1.5V의 바이어스 전원(V_DD)을 연결하고 소스(S)는 접지시킨다. 그리고 게이트(G)는 마이크유닛(M)의 실리콘칩(120)에 전기적으로 연결한다. 따라서 음압에 의해 변화하는 전압이 게이트를 통해 인가된 후 FET를 통해 증폭되어 드레인(D)에 연결된 출력단자(V_OUT)를 통해 출력된다.

구체적으로는 마이크유닛(M)에서 DC바이어스된 실리콘칩(120)과 접지된 진동막(140)과의 사이에 형성된 정전용량이 외부에서 가해지는 음압의 세기에 따라 진동막(140)과 실리콘칩(120)의 간격이 변하면서 변하게 된다.

정전용량의 변화로 인해 실리콘칩(120)과 접지된 진동막(140)과의 사이에 전압변화가 초래되고, 이러한 전압변화량은 증폭수단(150)인 FET를 거치면서 증폭되어 출력된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다. 그런데 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예가 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

도 1은 ECM의 구성을 나타낸 단면도

도 2은 MEMS마이크로폰의 구성을 나타낸 단면도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 콘덴서 마이크로폰의 단면도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 콘덴서 마이크로폰의 변형예를 나타낸 단면도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 콘덴서 마이크로폰의 회로도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 실리콘 콘덴서 마이크로폰 110: PCB

120: 실리콘칩 122: 실리콘기판

124: 도전층 126: 절연층

130: 스페이서 140: 진동막

150: 증폭수단 160: 케이스

162: 음공 164: 돌출부

Claims

저면에 외부연결단자가 형성된 PCB;

상기 PCB의 상면에 결합되며, 실리콘기판과 상기 실리콘기판의 상부에 형성된 도전층을 구비하는 실리콘칩;

상기 PCB의 상면에 결합되는 증폭수단;

상기 실리콘칩의 상부에 절연성 스페이서를 개재하여 이격 설치되는 금속재질의 진동막;

음압이 인가되는 음공을 구비하며, 상기 실리콘칩, 상기 증폭수단, 상기 진동막을 커버하면서 상기 PCB에 결합되는 케이스;

를 포함하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
제1항에 있어서,

상기 실리콘칩의 상기 도전층에는 DC바이어스 전원이 연결되고, 상기 진동막은 상기 케이스와 접촉함으로써 접지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
제2항에 있어서,

상기 도전층은 본딩와이어, 상기 실리콘칩에 형성된 쓰루홀 또는 상기 실리콘칩의 측면에 형성된 도전성 패턴을 통해 상기 PCB상의 회로패턴에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
제1항에 있어서,

상기 도전층의 상부에는 절연층이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
제1항에 있어서,

상기 진동막은 알루미늄, 티타늄 또는 금으로 제조된 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
제1항에 있어서,

상기 증폭수단은 JFET 또는 MOSFET이고, 상기 JFET 또는 MOSFET의 게이트는 상기 실리콘칩의 도전층과 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰
실리콘 콘덴서 마이크로폰에 사용되는 실리콘칩을 제조하는 방법에 있어서,

(a) 웨이퍼의 상면에 도전층을 형성하는 단계;

(b) 상기 도전층의 상면에 절연층을 형성하는 단계;

(c) 상기 도전층의 상면에서 진동막에 대응하는 제1영역을 제외한 제2영역에 스페이서층을 형성하는 단계;

(d) 상기 웨이퍼를 단위 실리콘칩으로 절단하는 단계;

를 포함하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰의 실리콘칩 제조방법
제7항에 있어서,

상기 단계(c)에서는 상기 절연층에서 상기 제1영역을 소정 두께만큼 식각해내거나, 상기 제2영역에 스페이서층을 증착하거나, 상기 제2영역에 대응하는 영역이 개구된 절연성 필름을 상기 절연층의 상부에 부착함으로써 상기 스페이서층을 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 콘덴서 마이크로폰의 실리콘칩 제조방법