KR20100121263A - Ｍｅｍｓ 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 진동막(10); 달라붙음방지홀(20a)이 복수로 형성된 하부전극(20); 음파유입홀(40b)이 복수로 형성되고 달라붙음방지홀(20a)에 정렬되는 위치에서 돌출 형성된 달라붙음방지돌부(40a)가 형성되고 상부전극으로서의 역할을 수행하는 도전성의 백플레이트(40)로 구성되고, 기판(1)을 준비하고(S110); 기판(1)의 상면을 식각하여 진동막 증착홈(1a)을 형성하고(S112); 진동막(10)으로 사용할 물질을 진동막 증착홈(1a)에 증착하고(S114); 진동막(10) 상에 달라붙음방지홀(20a)이 내부에 복수로 형성된 하부전극(20)과 하부전극 본딩패드(21) 및 하부도전선(22)을 형성하고(S118); 감광제를 도포하여 희생층(2)을 형성하고(S120); 희생층(2)의 상면에 희생층 오목홈(2a)을 형성하고(S122); 음파통과홀(40b)이 복수로 형성되어 있는 백플레이트(40)를 희생층(2) 상에 형성하고(S126); 희생층(2)을 제거하여 공기층(50)을 형성하고(S128); 기판(1)의 하면을 식각하여 진동막(10)을 릴리스시켜서 진동막(10)을 완성하는 단계(S130)로 구성되어서, 진동막과 백플레이트의 달라붙음을 방지할 수 있게 된다.

마이크로폰, 정정용량형, MEMS, 진동막, 백플레이트, 달라붙음, 요철구조

Description

ＭＥＭＳ 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법{A Capacitive Type MEMS Microphone and Manufacturing Method thereof}

본 발명은 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰에 관한 것으로, 특히 기계적으로 요철 구조를 형성함으로써 진동판과 백플레이트의 달라붙음을 제거할 수 있도록 한 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 MEMS(microelectromechanical system) 기반의 정전용량형 마이크로폰(capacitive microphone based on MEMS, 이하에서는 간단히 "MEMS 마이크로폰"이라고 한다)은 종래의 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(electret condenser micophone, 이하 ECM)이 가지는 근본적인 한계를 뛰어넘는 장점을 가진다.

MEMS 마이크로폰에서 기계적 또는 전기적 반응을 하는 진동판은 폴리 실리콘 또는 실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등의 유전체로 이루어지는데 이는 -40℃에서 +120℃의 온도에서도 신뢰성을 가지며 습도 및 복잡한 온도 변동에도 신뢰성을 갖는다.

또한 실리콘 기판을 사용하는 MEMS 마이크로폰의 경우 260℃가 넘는 무연 표면 실장 온도에서도 견딘다. 이와 같이 높은 신뢰성을 갖고 표면 실장이 가능하다는 점은 기존의 ECM을 능가하는 점이 된다. ECM은 캔(can) 형태의 패키지만 가능하지만 MEMS 마이크로폰은 사용자의 요구에 따라 패키지가 가능한데 이는 현재 소형화, 집적화되고 있는 마이크로폰의 응용분야에 적합하다. 무엇보다도 가장 중요한 점은 MEMS 기반의 공정을 이용하여 제작되므로 6인치, 8인치 또는 CMOS 기반의 온 칩(on chip) 형태의 마이크로폰 제작에 따라 12인치까지 공정이 가능하므로 각각의 칩 크기가 기존 ECM보다 수 배 내지는 수십 배 작아지며 기판 간의 혹은 하나의 기판에서 나오는 여러 개의 마이크로폰 간의 감도(sensitivity) 변동이 적어 VOIP(Voice over Internet Protocol)나 보청기(hearing aid) 같은 좋은 특성을 보이는 분야에서는 반드시 필요하다는 점이다. 이를 위해서는 높은 신뢰성 및 재현성, 설계치에 맞는 정확한 감도 특성을 보여야 한다.

MEMS 마이크로폰은 진동판과 기준판 사이에 일정한 DC(Direct Current) 바이어스 전압을 인가한 상태에서 들어오는 음압에 따른 정전용량의 변화를 감지하게 된다.

들어오는 음압에 따른 동적 작용(dynamic behavior)을 하는 마이크로폰은 과도한 음압이 인가되거나 진동막이 붕괴되거나(diaphragm collapse) 정전기력(electrostatic force) 등의 영향으로 백플레이트와 진동막이 달라붙어서 떼어지지 않는 현상이 발생하는데 이는 높은 신뢰성 및 재현성이 요구되는 마이크로폰에서 큰 단점이 된다.

그리고, 상기와 같이 기존의 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰에서 진동막과 백플레이트가 달라붙어 더 이상 사용할 수 없는 경우 마이크로폰과 이를 증폭하고 필터링하는 회로를 포함한 시스템 전체를 교체해야 하는 어려움이 있다. 이는 더욱더 소형화, 집적화되고 있는 마이크로폰의 응용분야에서 큰 문제로 대두되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로는, 진동막 붕괴와 관련된 마이크로폰 결함 조건(microphone fault condition) 상에서 진동막과 백플레이트 사이에 작용하는 정전기력을 제거하거나 감소시키기 위해서 DC 바이어스 전압을 조작하거나 교정하는 회로를 구성하는 방법 등이 제시되었다(교정 마이크로전자기계적 마이크로폰, SONION, 출원번호 : 10-2007-0095921, 공개번호 : 10-2008-0028291).

그러나, 상기와 같이 진동막과 백플레이트 사이에 인가된 DC 바이어스 전압을 조작하거나 교정하는 방법의 경우에는 회로 상의 추가적 비용이 발생하며 예측하기 어려운 단점이 있어서 상기 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 것이 될 수 없었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명에 의한 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법의 목적은,

첫째, 기계적인 요철 구조를 형성함으로써 진동막과 백플레이트가 근본적으로 달라붙지 않는 구조를 만들어 마이크로폰의 신뢰성 및 재현성을 높일 수 있도록 하고,

둘째, 하부전극에 홀(hole) 형태의 패턴을 형성하고 백플레이트에 하부전극의 홀과 일치하는 형태의 돌부를 형성하여 기계적 요철구조를 구현함으로써 진동막과 백플레이트가 달라붙지 않도록 하고,

셋째, 기계적 요철 구조를 형성할 수 있도록 희생층을 감광제로 사용함으로써, 공기층과 기계적 요철구조를 더욱더 용이하게 구현할 수 있도록 하기에 적당하도록 한 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈은, 유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막(vibrating diaphragm); 복수의 달라붙음방지홀이 내부에 형성되어 있고, 상기 진동막 상에 형성되어서 DC 바이어스 전압이 인가되는 하부전극; 음파가 유입되는 음파유입홀이 복수로 형성되어 있고, 상기 달라붙음방지홀에 대하여 진동막의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 상기 진동막이 있는 방향인 하방으로 돌출 형성된 달라붙음방지돌부가 형성되어 있으며, DC 바이어스 전압이 인가되어서 상부전극으로서의 역할을 수행하는 도전성의 백플레이트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 기판의 상면을 소정 형상으로 식각(bulk etch)하여 진동막 증착홈을 형성하는 단계; 유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막으로 사용할 물질을 진동막 증착홈에 증착하여 진동막을 증착 형성하는 단계; 증착에 의해서 형성된 진동막 상에 달라붙음방지홀이 내부에 복수로 형성된 하부전극과 직접회로칩과 와이어 본딩하기 위한 하부전극 본딩패드 및 하부전극과 하부전극 본딩패드를 연결하는 하부도전선을 형성하는 단계; 상기 하부전극이 형성된 진동막 상에 감광제를 도포하여 희생층을 형성하는 단계; 하부전극의 달라붙음방지홀과 진동막의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 희생층의 상면에 진동막이 있는 방향인 하방으로 요입된 구조의 희생층 오목홈을 형성하는 단계; 상기 희생층 오목홈에 형합하는 달라붙음방지돌부가 형성되어 있고, 음파통과홀이 복수로 형성되어 있는 백플레이트를 희생층 상에 형성하는 단계; 희생층을 제거하여 공기층(air gap)을 형성하는 단계; 기판의 하면을 식각하여 진동막을 릴리스(release)시켜서 진동막을 완성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명인 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기계적인 요철 구조를 형성함으로써 진동막과 백플레이트가 근본적으로 달라붙지 않는 구조를 만들어 마이크로폰의 신뢰성 및 재현성을 높일 수 있는 효과가 있고,

둘째, 하부전극에 홀(hole) 형태의 패턴을 형성하고 백플레이트에 하부전극의 홀과 일치하는 형태의 돌부를 형성하여 기계적 요철구조를 구현함으로써 진동막과 백플레이트가 달라붙지 않게 되는 효과가 있고,

셋째, 기계적 요철 구조를 형성할 수 있도록 희생층을 감광제로 구현함으로써, 공기층과 기계적 요철구조를 더욱더 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

다음은 본 발명인 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 기초로 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법의 공정도가 도시되어 있고, 도 17에는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 구성도가 도시되어 있고, 도 18에는 도 17에 의한 본 발명의 일 실시예의 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 변형 실시예가 도시되어 있고, 도 19 및 도 20에는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈에 있어서 하부전극의 다양한 변형 실시예의 예시도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 기반의 정전용량형 마 이크로폰의 감음 모듈은, 유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막(10)과, 다수의 달라붙음방지홀(20a)이 내부에 복수로 형성되어 있고 상기 진동막(10) 상에 형성되어서 DC 바이어스 전압이 인가되는 하부전극(20)과, 음파가 유입되는 음파유입홀(40b)이 복수로 형성되어 있고 상기 달라붙음방지홀(20a)에 대하여 진동막(10)의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 상기 진동막(10)이 있는 방향인 하방으로 돌출 형성된 달라붙음방지돌부(40a)가 형성되어 있으며 DC 바이어스 전압이 인가되어서 상부전극으로서의 역할을 수행하는 도전성의 백플레이트(40)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하면 진동막(10)이 상하방향으로 진동하더라도 진동막(10)과 백플레이트(40)가 접촉하기 전에 달라붙음방지돌부(40a)가 달라붙음방지홀(20a)과 에 먼저 닿으므로 진동막(10)과 백플레이트(40)가 달라 붙는 문제는 발생하지 않는다.

그리고, 상기 진동막(10)의 진동에 따라서 함께 진동방향인 상하방향으로 진동하는 상기 달라붙음방지홀(20a)에 상기 달라붙음방지돌부(40a)가 인서트될 수 있도록 상기 달라붙음방지홀(20a)의 직경이 상기 달리붙음방지돌부(40a)의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하면 달리붙음방지돌부(40a)가 달라붙음방지홀(20a)에 더욱더 원활하게 인서트되어서 닿으므로 진동막(10)이 백플레이트(40)에 직접 접촉하는 것을 원천적으로 막을 수 있어서 접합되는 것을 막을 수 있게 된다.

다음은 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법에 대하여 기술한다.

먼저, 예컨대 실리콘 기판과 같은 기판(1)을 준비한다(S110)(도 1).

다음으로 도 2에 도시된 바와 같이(도 2의 (a)는 단면 구성도이고 (b)는 평면 구성도인데 이는 공정도 전체에서 동일한 양식으로 사용된다), 진동막(10) 증착 형성을 위해서 기판(1)의 상면을 예컨대 원형과 같은 소정 형상으로 식각(bulk etch)하여 진동막 증착홈(1a)을 형성한다(S112).

상기와 같이 진동막 증착홈(1a)을 형성하는 이유는 진동막(10)의 크기는 마이크로폰 감도 설계에 필요한 파라미터이므로, 설계값에 의해 정확하게 정해진 크기의 진동막(10)을 형성하기 위함이다.

상기 진동막 증착홈(1a)의 식각 방법으로는 예컨대 DRIE(deep reactive ion etch) 등의 건식식각(dry etch)이나 KOH(Potassium hydroxide), TMAH(Tetramethylammonium hydroxide) 같은 용액을 이용하여 습식식각(wet etch)을 이용할 수 있을 것이다.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막(vibrating diaphragm)(10)으로 사용할 물질을 진동막 증착홈(1a)에 증착하여 진동막(10)을 증착 형성한다(S114).

상기 진동막(10)으로 사용할 물질은 예컨대, 폴리실리콘(poly silicon), 실리콘 질화막(silicon nitride) 또는 실리콘 질화막과 실리콘 산화막을 교번적으로 여러 층 올린 구조 등을 채용하여 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 실리콘 질화막을 사용하였다.

그리고, 진동막(10)으로 사용할 물질을 증착하는 방법으로는 예컨대, 저압 화학적기상증착(low pressure chemical vapor deposition. LPCVD) 방법이나 플라즈마 개선 화학적기상증착(plasma enhenced chemical vapor deposition. PECVD) 방법 또는 물리적기상증착(physical vapor deposition. PVD) 방법이나 가스를 넣어 실시하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 방법 등을 이용할 수 있다.

진동막(10)으로 사용되는 예컨대 실리콘 질화막의 두께는 마이크로폰의 감도 설계에 필요한 파라미터이므로 설계치에 따라 두께를 조절하여 증착할 수 있다.

한 마이크로폰 감도 설계에서 중요한 파라미터가 진동막(10)의 내부응력(inertial stress)인데 이는 인가되는 음압에 반응한 진동막(10)이 원래대로 돌아오는 복원력(recovery force)과 관련되며 마이크로폰의 신뢰성 및 재현성에 큰 영향을 미친다. 따라서 진동막(10)으로 사용되는 예컨대 실리콘 질화막은 내부응력이 최소가 되도록 증착하여야 한다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(1) 상면에 진동막(10)으로 사용할 물질을 증착하는 단계(S114)가 수행된 후에, 진동막(10)으로 사용할 물질을 기판(1)의 하면에 동시 또는 연속으로 증착하여 하면막(11)을 형성하는 단계(S116)가 수행된다.

이것은 진동막(10)과 백플레이트(40)를 형성한 후 진동막(10) 뒤쪽으로 진동막(10)을 릴리스(release)시키고 기준체적(reference volume)을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정으로 패턴을 형성한 후 DRIE 등의 건식식각이나 KOH, TMAH 같은 용액을 이용하여 습식식각을 실시하는데 식각이 필요없는 부분을 막아주는 마스크 역할을 하기 위함이다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이(도 5의 (a)는 도 5의 (b)의 A-A선 단면도임), 증착에 의해서 형성된 진동막(10) 상에 DC 바이어스 전압을 인가하기 위해서 달라붙음방지홀(20a)이 내부에 복수로 형성된 하부전극(20)과 직접회로칩(미도시)과 와이어 본딩하기 위한 하부전극 본딩패드(21) 및 하부전극(20)과 하부전극 본딩패드(21)를 연결하는 하부도전선(22)을 바람직하게는 동시에 형성하는 단계(S118)가 수행된다.

상기 하부전극(20) 및 하부전극 본딩패드(110)를 형성하는 단계(S118)에 대하여 상세하게 설명한다.

즉, 상기 S118단계는, 진동막(10)과의 접착력을 높이기 위해 1차로 예컨대 타이타늄이나 크롬같은 접착성이 좋은 접착성 금속을 진동막(10) 위에 증착하고, 상기와 같이 증착된 접착성 금속에 금이나 은 같은 전도성이 좋은 고도전성 금속을 증착하고, 고도전성 금속 증착 후 상기 달라붙음방지홀(20a)이 형성된 하부전극 패턴을 남기기 위해서 포토리소그래피 공정에 의해 하부전극 패턴을 형성함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 접착성 금속과 고도전성 금성의 증착방법은 열 기화기(thermal evaporator)나 전자빔 기화기(electron beam evaporaotr) 또는 스퍼터(sputter)같은 물리적기상증착 방법을 사용하며 이때 금속 자체의 내부응력 및 증착 조건에 따른 외부응력이 발생할 수 있으므로 이를 최소화하기 위해 금속 두께를 최소화하였다.

금속을 증착한 후 리프트 오프(lift off)에 의해 필요없는 금속막을 제거하는 방법을 사용할 수 있고 금속을 먼저 증착한 후 하부전극 패턴을 포토리소그래피 공정에 의해 형성해 필요없는 부분을 제거하기 위한 마스크를 형성하고 RIE 등의 건식식각이나 습식식각을 통해 필요없는 부분을 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예의 경우에 있어서는 하부전극(20)의 형태는 도 5와 같이 구현할 수 있는데 이에 한정되는 것은 물론 아니며, 도 19 및 도 20에 예시된 바와 같이 원형 및 다각형의 다양한 형태를 취할 수 있고 달라붙음방지홀(20a) 역시 원형 및 다각형의 등의 다양한 형태를 취할 수 있고 나아가 달라붙음방지홀(20a) 간의 간격, 개수, 배치 형태 역시 다양하게 구현할 수 있는데, 어느 경우에나 본원발명의 기술적 범위에 속한다.

다음으로 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하부전극(20)이 형성된 진동막(10) 상에 감광제를 도포하여 후공정에서 공기층(air gap)(40)으로 되는 희생층(sacrificial layer)(2)을 형성하는 단계(S120)가 수행된다.

상기 희생층(2)을 형성하는 단계(S120)는, 우선 설정된 두께만큼 감광제를 전체적으로 도포하는 단계(S120-1)(도 6)와, 진동막(10) 바로 위에만 감광제가 남도록(즉 진동막(10)과 동일한 크기의 감광제만이 남도록) 마스크에 의해 노광 및 현상하여 희생층(2)을 형성하는 단계(S120-2)(도 7)로 구성된다.

상기와 같이, 희생층(2)으로 감광제(photoresist)를 사용하는 이유는, 공정상 열적, 기계적으로 안정한 구조를 가지고 나중에 단단한 백플레이트(40) 형성 후 제거될 때 공정상 쉽게 제거될 수 있기 때문이다.

또한 감광제를 희생층으로 사용함으로써 희생층의 형태를 자유자재로 만들 수 있으면서 공정상 구현이 용이하고 희생층 제거 시에 백플레이트(40)나 진동막(10)에 영향을 주지 않는 이점이 있다.

상기 S120-1단계에서 감광제의 두께는 곧 정전용량형 마이크로폰에서 인가되는 음압에 따라 변동하는 진동막(10)과 백플레이트(40) 사이의 거리를 나타내는 공기층(50)의 두께와 관련되므로 마이크로폰의 감도 설계에 필요한 파라미터이며 이를 공정상에서 정확하게 구현해 주어야 한다.

S120-1단계에서 감광제를 도포하는 방법은 회전식 도포(spin coating)나 스프레이식 도포(spray coating) 방법 등이 있으며, 회전식 도포 방법의 경우 회전수에 따라 두께를 조절할 수 있으며 스프레이식 도포 방법의 경우 뿌려지는 양에 따라 두께를 조절할 수 있다.

다음으로 도 8에 도시된 바와 같이, 하부전극(20)의 달라붙음방지홀(20a)과 진동막(10)의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 희생층(2)의 상면에 진동막(10)이 있는 방향인 하방으로 요입된 구조의 희생층 오목홈(2a)을 형성하는 단계(S122)가 수행된다.

상기 희생층 오목홈(2a)은 백플레이트(40)에 형성된 달라붙음방지돌부(40a)를 형성하기 위하여 달라붙음방지돌부(40a)와 형합하는 형상으로서(따라서 희생층 오목홈(2a)은 달라붙음방지돌부(40a)를 형성하기 위한 몰드로서의 역할을 수행한다), 마스크를 이용해 노광을 실시한 후 현상을 하여 구현할 수 있다.

이때 노광량은 희생층 오목홈(2a)의 크기, 형태, 길이 등에 따라 다양하게 결정될 수 있으며 현상 시간, 현상 방법 등을 달리하여 진행할 수 있다. 단, 진동막(10)과 백플레이트(40)가 작동하는데 방해가 되지 않는 범위에서 결정된다.

오목홈(2a)은 상기 달라붙음방지홀(20a)과 동일한 형태로 구현됨이 바람직한데, 예컨대 원형 및 사각형 삼각형 등의 다각형으로 구현되며 간격, 개수, 배열 위치 등도 같게 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 희생층(2)의 오목홈(2a)의 크기는 하부전극(20)의 달라붙음방지홀(20a)의 크기보다 작게 형성하는 것을 특징으로 한다.

이는 본 발명의 목적인 진동막(10)과 백플레이트(40)의 달라붙음을 근본적으로 제거하기 위함이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 희생층 오목홈(2a)을 형성하는 단계(S122) 수행 후에, 감광제에 들어있는 용매를 제거하고 희생층(2)을 대면적 전자빔 경화장치를 이용하여 도포된 감광제에 균일하게 주사하여 높은 온도에서 그 모양이 변하지 않을 정도로 단단하게 경화시키는 단계(S124)가 더 포함되어서 수행되는 것을 특징으로 한다.

대면적 전자빔 경화장치의 가속전압, 빔전류, 조사량을 적절히 조절하여 일반적인 열적 경화 방법이 가지는 단점인 리플로우 현상을 제거함으로써 원하는 설계치에 맞는 공기층 두께를 구현할 수 있고 본 발명에서 제안한 기계적 요철 구조를 형성할 수 있다.

일반적으로 감광제는 용매(solvent)가 섞여있는 액체 형태이므로 패턴 형성 후 열판(hot plate)이나 오븐(oven) 등을 이용해 경화(curing)를 시키는 경우가 있 는데, 이는 열에 의해 용매를 제거하는 방법으로 열적 응력(thermal stress)에 의해 리플로우(reflow)가 발생하여 마이크로폰 감도 설계에 맞는 공기층 두께를 조절하기가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 감광제를 경화시키는 방법으로 대면적 전자빔 경화장치(large scale electron beam curing machine)를 이용하여 리플로우가 생기는 현상을 제거하였다.

대면적 전자빔 경화장치는 대면적의 균일한 전자빔을 경화하고자 하는 물질에 주사하여 열적 응력을 최소하거나 제거하여 경화시킬 수 있는 장치이다. 이때 물질은 유기물로 이루어진 거의 모든 물질을 포함하며 가속 전압(accelerating voltage)에 따라 전자빔이 주사될 수 있는 깊이(penetration depth)를 결정하며 빔전류(beam current)에 따라 주사되는 전자수를 조절하며 조사량(dose)에 따라 조사되는 물질 분자의 가교(crosslinking)를 강하게 하여 경화정도를 결정할 수 있다.

이 장치를 이용하여 감광제를 경화시키면 리플로우 현상 없이 마이크로폰 감도 설계와 일치하는 공기층 두께의 균일도를 확보하고 원하는 요철 형태를 그대로 구현할 수 있다. 이 기술은 희생층(2) 두께 조절의 용이성, 희생층(2) 제거의 용이성, 희생층(2) 두께의 균일도 확보 등의 이점이 있다.

다음으로 도 10 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 희생층 오목홈(2a)에 형합하는 달라붙음방지돌부(40a)가 형성되어 있고, 유입되는 음파(sound wave)를 통과시키기 위한 음파통과홀(40b)이 복수로 형성되어 있는 백플레이트(perforated back plate)(40)를 전기도금(electroplating)에 의해 상기 희생층(2) 상에 형성하는 단계(S126)가 수행된다.

상기 백플레이트(40)를 전기도금(electroplating)에 의해 상기 희생층(2) 상에 형성하는 단계(S126)를 더욱 상세하게 설명한다.

먼저 도 10에 도시된 바와 같이, 희생층(2)의 요철 구조와 동일한 형태로 희생층(2)과 그 주변부 전체를 커버링하도록 종자층(seed layer)(30)을 증착 형성하는 단계(S126-1)가 수행된다.

종자층(30)을 증착하는 이유는 전기도금에 의해서 금속이 올라가야 하는 부분만을 선택적으로 도금하기 위함이다.

종자층(130) 증착은 물리적기상증착 방법 중 스퍼터링을 이용하는데, 이는 희생층(2)의 두께와 패턴 크기에 따라 끊김 없이 스텝 커버리지(step coverage)가 좋게 종자층(130)이 증착되어야 전기도금이 정확히 이루어지기 때문이다. 또한 종자층(130) 증착시 끊김 없이 증착되기 위해서는 충분한 두께(0.2um)의 종자층(130)이 증착되어야 한다.

전기도금할 금속으로는 니켈, 구리, 금 등의 금속을 사용하는데 도금이 잘되도록 적당한 금속 재질의 종자층을 선택해야 한다.

다음으로 도 11에 도시된 바와 같이, 음파통과홀(40b)이 형성된 백플레이트(40)를 형성하기 위해서(즉 백플레이트(40) 중에서 전기도금에 의해 금속이 올라가야 하는 부분만을 선택적으로 도금하기 위해서), 상기 종자층(30)에 감광제를 도포한 후에 소정의 포토리소그래피(photolithgraphy)에 의해서 감광제 패턴(3)을 형성하는 단계(S126-2)가 수행된다.

즉, 상기 감광제 패턴(3)은 백플레이트(40)를 형성하기 위한 전기도금을 하 고자 하는 부분을 형성하기 위한 몰드(mold)로서 사용되는 것이다.

이때 감광제의 두께는 백플레이트(40) 형성을 위해서 전기도금에 의해 형성하는 금속의 두께보다 두껍게 도포한다.

다음으로 도 12에 도시된 바와 같이 상기 감광제 패턴(3)의 형성에 의해서 노출된 종자층(30)에 전기도금을 실시하여 상부전극 본딩패드(41)와 상부도전선(42)과 상부전극으로서의 기능을 동시에 수행하는 백플레이트(40)를 동시에 형성하는 단계(S126-3)가 수행된다.

도 18에 도시된 바와 같이 백플레이트(40) 형성 시 동시에 형성되는 상부전극에 기계적 요철 구조에 있어서 위한 팁(tip) 형태로 구현될 수도 있을 것이다.

다음으로 도 13에 도시된 바와 같이, 감광제 패턴(3)을 에싱(ashing)같은 건식 방법이나 아세톤(aceton) 등의 습식 방법 또는 전면 노광(flood expose) 후 현상액으로 현상하여 제거하는 방법 등으로 제거하는 단계(S126-4)가 수행된다.

그리고, 도 14에 도시된 바와 같이, 희생층(2)을 제거하기 위해서 전기도금에 의해 형성된 백플레이트(40)에서 관통할 부분에 들어나 있는 종자층(30)을 제거하는 단계(S126-5)가 수행된다.

상기 종자층(130)의 제거방법은 식각가스를 이용한 건식식각 또는 에천트 등을 이용한 습식식각을 이용한다.

그리고, 도 15에 도시된 바와 같이, 희생층(2)을 제거하여 공기층(air gap)(50)을 형성하는 단계(S128)가 수행된다.

상기 종자층(30)의 제거에 의해서 관통된 음파유입홀(40b)을 통해서 산, 알 카리 또는 유기용제를 이용한 습식제거방법을 사용하거나 산소 플라즈마(oxygen plasma)에 의해 제거되는 에싱같은 건식제거방법으로 희생층(2)을 제거한다.

다음으로 도 16에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 하면을 식각하여 진동막(10)을 릴리스(release)시켜서 진동막(10)을 완성하는 단계(S130)가 수행된다.

상기 기판(1)의 하면을 식각하여 진동막(10)을 릴리스시키는 단계(S130)는,

기판(1) 하면에 증착된 하면막(11)(예컨대 실리콘 질화막) 상에 진동막(10)을 릴리스(release)시킬 부분의 패턴을 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성한 후 하면막(11)을 에칭가스에 의한 건식식각 등을 이용해 제거하고 기판(1)을 DRIE 등의 건식식각이나 KOH, TMAH 등의 습식식각을 이용해 진동막(10)이 들어날 때까지 식각하여 진동막(10)을 릴리스시켜서 진동막(10)을 완성함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.

이때 식각 방법에 따라 기판(1)의 결정 방향성(crystal orientation)은 <100>, <110> 또는 <111>이 될 수 있다.

상기의 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

도 1 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법의 공정도이다.

도 17은, 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 구성도이다.

도 18은, 도 17에 의한 본 발명의 일 실시예의 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈의 변형 실시예이다.

도 19 및 도 20은, 본 발명의 일 실시예에 의한 MEMS 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈에 있어서 하부전극의 다양한 변형 실시예의 예시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ; 진동막 20 ; 하부전극

20a; 달라붙음방지홀 21 ; 하부전극 본딩패드

22 ; 하부도전선 30 ; 종자층

40 ; 백플레이트 40a; 달라붙음방지돌부

40b; 음파유입홀 50 ; 공기층

11 ; 하면막 1 ; 기판

1a ; 진동막 증착홈 2 ; 희생층

2a ; 희생층 오목홈 3 ; 감광제 패턴

Claims (10)

1. 유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막(vibrating diaphragm)(10);

   복수의 달라붙음방지홀(20a)이 내부에 형성되어 있고, 상기 진동막(10) 상에 형성되어서 DC 바이어스 전압이 인가되는 하부전극(20);

   음파가 유입되는 음파유입홀(40b)이 복수로 형성되어 있고, 상기 달라붙음방지홀(20a)에 대하여 진동막(10)의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 상기 진동막(10)이 있는 방향인 하방으로 돌출 형성된 달라붙음방지돌부(40a)가 형성되어 있으며, DC 바이어스 전압이 인가되어서 상부전극으로서의 역할을 수행하는 도전성의 백플레이트(40)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 진동막(10)의 진동에 따라서 함께 진동하는 상기 달라붙음방지홀(20a)에 상기 달라붙음방지돌부(40a)가 인서트될 수 있도록 상기 달라붙음방지홀(20a)의 직경이 상기 달리붙음방지돌부(40a)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈.
3. 기판(1)을 준비하는 단계(S110);

   기판(1)의 상면을 소정 형상으로 식각(bulk etch)하여 진동막 증착홈(1a)을 형성하는 단계(S112);

   유입되는 음파의 음압에 따라서 진동하는 진동막(10)으로 사용할 물질을 진동막 증착홈(1a)에 증착하여 진동막(10)을 증착 형성하는 단계(S114);

   증착에 의해서 형성된 진동막(10) 상에 달라붙음방지홀(20a)이 내부에 복수로 형성된 하부전극(20)과 직접회로칩과 와이어 본딩하기 위한 하부전극 본딩패드(21) 및 하부전극(20)과 하부전극 본딩패드(21)를 연결하는 하부도전선(22)을 형성하는 단계(S118);

   상기 하부전극(20)이 형성된 진동막(10) 상에 감광제를 도포하여 희생층(2)을 형성하는 단계(S120);

   하부전극(20)의 달라붙음방지홀(20a)과 진동막(10)의 진동방향으로 정렬(align)되는 위치에서 희생층(2)의 상면에 진동막(10)이 있는 방향인 하방으로 요입된 구조의 희생층 오목홈(2a)을 형성하는 단계(S122);

   상기 희생층 오목홈(2a)에 형합하는 달라붙음방지돌부(40a)가 형성되어 있고, 음파통과홀(40b)이 복수로 형성되어 있는 백플레이트(40)를 희생층(2) 상에 형성하는 단계(S126);

   희생층(2)을 제거하여 공기층(air gap)(50)을 형성하는 단계(S128);

   기판(1)의 하면을 식각하여 진동막(10)을 릴리스(release)시켜서 진동막(10)을 완성하는 단계(S130)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정 전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 기판(1) 상면에 진동막(10)으로 사용할 물질을 증착하는 단계(S114)가 수행된 후에,

   진동막(10)으로 사용할 물질을 기판(1)의 하면에 증착하여 하면막(11)을 형성하는 단계(S116)가 더 포함되어서 수행되고,

   상기 기판(1)의 하면을 식각하여 진동막(10)을 릴리스시키는 단계(S130)는,

   기판(1) 하면에 증착된 하면막(11) 상에 진동막(10)을 릴리스(release)시킬 부분의 패턴을 포토리소그래피 공정을 이용하여 형성한 후 하면막(11)을 식각하여 제거하고 기판(1)에 대하여 진동막(10)이 노출될 때까지 식각하여 진동막(10)을 릴리스시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 백플레이트(40)를 희생층(2) 상에 형성하는 단계(S126)는,

   희생층(2)의 요철 구조와 동일한 형태로 희생층(2)과 그 주변부 전체를 커버링하도록 종자층(seed layer)(30)을 증착 형성하는 단계(S126-1);

   음파통과홀(40b)이 형성된 백플레이트(40)를 형성하기 위해서, 상기 종자층(30)에 감광제를 도포한 후에 소정의 포토리소그래피(photolithgraphy)에 의해서 감광제 패턴(3)을 형성하는 단계(S126-2);

   상기 감광제 패턴(3)의 형성에 의해서 노출된 종자층(30)에 전기도금을 실시하여 상부전극 본딩패드(41)와 상부전극으로서의 기능을 동시에 수행하는 백플레이트(40)와 상부전극 본딩패드(4)와 백플레이트(40)를 도통시키는 상부도전선(42)을 동시에 형성하는 단계(S126-3);

   감광제 패턴(3)을 제거하는 단계(S126-4);

   종자층(30)을 제거하여 백플레이트(40)의 음파통과홀(40b)을 관통하는 단계(S126-5)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 희생층(2)을 형성하는 단계(S120)는,

   설정된 두께만큼 감광제를 도포하는 단계(S120-1)와,

   진동막(10) 바로 위에만 감광제가 남도록 마스크에 의해 노광 및 현상하여 희생층(2)을 형성하는 단계(S120-2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 희생층 오목홈(2a)을 형성하는 단계(S122) 수행 후에,

   희생층(2)의 형태가 변하지 않게 하기 위해서 경화시키는 단계(S124)가 더 포함되어서 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 희생층(2)의 경화는, 리플로우(reflow) 현상을 제거함으로써 원하는 설계치에 맞는 공기층 두께를 구현하기 위해서 대면적 전자빔 경화장치를 이용하여 도포된 감광제에 균일하게 주사함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
9. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 하부전극(20) 및 하부전극 본딩패드(110)를 형성하는 단계(S118)는,

   진동막(10)과의 접착력을 높이기 위해 접착성 금속을 진동막(10) 위에 증착하고, 상기와 같이 증착된 접착성 금속에 고도전성 금속을 증착하고, 고도전성 금속을 증착한 후 상기 달라붙음방지홀(20a)이 형성된 하부전극 패턴을 형성하기 위 해서 포토리소그래피 공정에 의해 하부전극 패턴을 형성함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.
10. 청구항 3에 있어서,

    상기 희생층(2)의 오목홈(2a)의 크기는 하부전극(20)의 달라붙음방지홀(20a)의 크기보다 작게 형성하는 것을 특징으로 하는 MEMS 기반의 정전용량형 마이크로폰의 감음 모듈 제조방법.

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