KR20110076074A - 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20110076074A KR1020090132682A KR20090132682A KR20110076074A KR 20110076074 A KR20110076074 A KR 20110076074A KR 1020090132682 A KR1020090132682 A KR 1020090132682A KR 20090132682 A KR20090132682 A KR 20090132682A KR 20110076074 A KR20110076074 A KR 20110076074A
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Abstract

본 발명은 실리콘 기판과 멤브레인의 접촉 부위에서 잔류 응력를 감소시킬 수 있는 멤스(MEMS) 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 백 챔버가 형성되는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 증착되고, 다수의 음공이 형성된 백 플레이트; 상기 백 플레이트와 이격되어 에어갭이 형성되도록 상기 실리콘 기판에 증착되는 멤브레인; 및 상기 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에 증착되는 응력 완충부;를 포함하는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
멤스 마이크로폰, 응력 완충부

Description

멤스 마이크로폰 및 그 제조방법{MEMS MICROPHONE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로폰은 음성을 전기적인 신호로 변환하는 장치이다. 상기 마이크로폰은 이동용 단말기와 같은 이동통신기기, 이어폰 또는 보청기 등 다양한 통신기기에 적용될 수 있다. 이러한 마이크로폰은 양호한 전자/음향 성능, 신뢰성 및 작동성을 가져야 한다.
상기 마이크론에는 콘덴서 마이크로폰(condenser microphone)과 멤스 마이크로폰(MEMS microphone) 등이 있다.
상기 콘덴서 마이크로폰은 진동판, 백 플레이트 및 신호처리용 인쇄회로기판 등을 각각 제조한 후 상기 구성들을 케이스의 내부에 조립하여 제작된다. 이러한 콘덴서 마이크로폰은 인쇄회로기판을 제작하는 공정과 콘덴서 마이크로폰을 제작하는 공정이 분리되어 생산단가가 증가되고 소형화에 한계가 있었다.
상기 멤스 마이크로폰은 진동판과 백플레이트 등의 응향 감지 소자 부분을 모두 반도체 공정을 이용하여 하나의 실리콘 기판상에 제조한다.
대한민국출원번호 10-2002-0074492(출원일자: 2002년 11월 27일)에 개시된 멤스 마이크로폰이 개시된다. 상기 멤스 마이크로폰은 하부 전극에 전자를 주입시키기 위해 대략 1100℃의 고온으로 열처리된다. 이때, 상기 멤브레인(진동판)은 실질적으로 금속성 하부 전극, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막과 같이 이종물질로 구성되므로, 고온 열처리시 열팽창 계수의 차이에 의해 잔류 응력(압축 응력 또는 팽창 응력)이 발생된다. 상기 멤브레인이 잔류 응력을 받게 됨에 따라 변형되거나 크랙(crack)이 발생될 수 있다. 나아가, 상기 멤브레인에 잔류 응력이 작용할 경우, 상기 멤브레인이 음향에 따라 정확하게 진동하기 곤란하므로 발생 음향을 전기적인 신호로 정확하게 변환되기 곤란할 수 있다.
또한, 상기 마이크로폰은 실리콘 기판의 하측을 식각하여 멤브레인의 두께를 조절하므로, 상기 멤브레인의 두께가 불균일해지는 경우가 있었다. 상기 멤브레인의 두께가 불균일해지는 경우, 멤브레인이 음향에 대하여 불규칙하게 진동하게 되어 음향을 전기적인 신호로 정확하게 변환하기 어려운 경우가 있었다.
국제공개번호 WO 2007/112743(공개일자 2007년 03월 29일)은 실리콘 기판을 산화하여 백 볼륨(15)을 형성하는 멤스 마이크로폰 제조방법이 개시된다. 이때, 상기 실리콘 기판에는 백 볼륨(15)을 형성하기 위해 다공성 실리콘 구조(9)를 산화하고, 상기 다공성 실리콘 구조를 형성하기 위해 도전층(2), 금속층(3), 실리콘 산화막(4) 등을 증착 및 식각하는 공정(1a-1h 공정) 등이 순차적으로 수행된다. 상기 다공성 실리콘 구조를 형성하기 위한 다수의 공정이 수행되어야 하므로, 멤스 마이크로폰의 제조시간이 현저히 증가될 수 있다. 또한, 상기 다공성 실리콘 구조(9)는 전압 조건에 따라 실리콘의 산화 속도가 불균일해질 수 있으므로, 상기 백 볼륨(15)이 불균일하게 식각될 수 있었다. 상기 백 볼륨의 표면이 불균일하게 식각되는 경우, 상기 멤브레인과 백 볼륨 사이의 거리가 불균일해지므로, 음향을 전기적인 신호로 정확하게 변환하기 곤란한 경우가 있었다.
또한, 상기 다이어프램은 실리콘 기판이나 실리콘 산화막과 열팽창 계수의 차이가 현저히 크다. 그런데, 상기 다이어프램이 실리콘 산화막에 의해 실리콘 기판에 접촉되므로, 상기 다이어프램이 실리콘 기판과 접촉되는 부위에 열팽창 계수의 차이에 의해 크랙이 발생될 수 있었다.
또한, 상기 2개의 인용문헌은 실리콘 기판에 멤브레인과 백 플레이트를 적층한 구조이므로, 상기 멤스 마이크로폰의 높이가 높아질 수밖에 없었다. 따라서, 소형화된 마이크로폰의 제조에 한계가 있었다.
상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 멤브레인이 실리콘 기판과 접촉되는 부위에서 잔류 응력이 최소화될 수 있는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 멤브레인과 백 플레이트에 이온을 흡착시키기 위해 고온으로 가열할 필요가 없는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 멤브레인과 백 플레이트가 실리콘 기판의 상측으로 적층되는 구조보다 희생층의 평탄화 과정을 용이하게 수행할 수 있으며, 상기 멤브레인과 백 플레이트의 두께를 자유롭게 조절함으로써 마이크로폰의 음향 특성을 향상시킬 수 있는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 멤브레인과 백 플레이트 사이의 간격 이상으로 멤스 마이크로폰의 높이를 감소시킬 수 있는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 의하면, 백 챔버가 형성되는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판에 증착되고, 다수의 음공이 형성된 백 플레이트; 상기 백 플레이트와 이격되어 에어갭이 형성되도록 상기 실리콘 기판에 증착되는 멤브레인; 및 상기 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에 증착되는 응력 완충부;를 포함하는 멤스 마이크로폰을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 실리콘 기판에 응력 완충부가 증착되는 단계; 상기 응력 완충부에 멤브레인이 증착되는 단계; 상기 멤브레인에 희생층이 증착되는 단계; 상기 희생층에 다수의 음공이 형성되도록 백 플레이트가 증착되는 단계; 상기 실리콘 기판의 하측을 식각하여 백 챔버가 형성되도록 하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하여 상기 멤브레인과 백 플레이트 사이에 에어갭이 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 실리콘 기판에 백 플레이트가 증착되는 단계; 상기 백 플레이트에 희생층이 증착되는 단계; 상기 실리콘 기판의 백 플레이트 둘레에 응력 완충부가 증착되는 단계; 상기 응력 완충부와 희생층에 멤브레인이 증착되는 단계; 상기 실리콘 기판의 하측을 식각하여 백 챔버가 형성되도록 하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하여 상기 멤브레인과 백 플레이트 사이에 에어갭이 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 멤브레인과 실리콘 기판이 접촉되는 부위에서 잔류 응력을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 상기 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인이 잔류 응력에 의해 변형되는 것을 방지하여 음압 측정이 정상적으로 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인과 백 플레이트가 저온(대략 90℃ 정도의 온도) 상태에서 무전해도금으로 증착되므로, 멤스 칩과 ASIC 칩을 원칩화할 수 있는 효과 가 있다. 나아가, 일원화된 반도체 공정으로 멤스 마이크로폰을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 멤스 마이크로폰이 저온 상태에서 제조되므로, 상기 멤브레인과 백 플레이트 자체에 잔류 응력이 잔존하는 것을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 상기 멤브레인과 백 플레이트가 실리콘 기판과의 접촉부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 무전해 도금법을 이용하여 멤브레인과 백 플레이트가 증착되므로, 상기 멤브레인과 백 플레이트의 두께를 용이하게 조절하여 음향 특성을 안정화시키고 음향 감도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판을 식각한 후 멤브레인과 백 플레이트를 증착하여 에어갭을 형성하므로, 상기 에어갭을 정확하고 간편하게 형성할 수 있는 효과가 있다. 나아가, 멤스 마이크로폰의 높이를 감소시키고, 멤브레인과 백 플레이트가 기판에 보다 안정적으로 고정될 수 있도록 하는 효과가 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멤스 마이크로폰에 관한 구체적인 실시예에 관해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에 관해 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰은 실리콘 기판(10)을 포 함한다. 상기 실리콘 기판(10)의 양측에는 질화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00001
) 또는 산화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00002
)과 같은 절연 보호층(11,12)이 증착된다(도 1a 참조). 이때, 상기 질화 실리콘은 저압 기상 증착(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 실리콘 기판(10)의 표면에 보호층(11,12)을 증착시킨다.
상기 실리콘 기판(10)의 상측의 절연 보호층(11)은 에어갭 형성부(15)를 형성하기 위해 식각된다(도 1b 참조). 이때, 상기 실리콘 기판(10)의 상측 절연 보호층(11)은 RIE(Reactive Ion Etching) 장비에 의해 식각될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 상측을 KOH 용액 또는 TMAH 용액으로 식각하여 상기 에어갭 형성부(15)를 기 설정된 깊이로 형성한다. 이때, 상기 에어갭 형성부(15)의 마스크 물질(미도시)로는 질화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00003
) 또는 산화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00004
) 등이 적용될 수 있다.
상기 에어갭 형성부(15)의 깊이가 기 설정된 깊이(D)로 조절됨에 의해 아래에서 설명할 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 상기 에어갭 형성부(15)의 깊이(D)는 KOH 용액 또는 TMAH 용액의 농도, 식각 시간 및 온도 등에 따라 조절될 수 있다. 상기 KOH 용액 또는 TMAH 용액의 농도, 식각 시간 및 온도 등은 에어갭 형성부의 깊이에 따라 적절하게 조절되어야 할 것이다.
또한, 상기 에어갭 형성부(15)의 둘레는 KOH 용액 또는 TMAH 용액으로 식각 시 대략 54.74°의 각도(α)를 갖는 경사면(16)을 이룰 수 있다. 이때, 실리콘 결정의 경사 방향(111면 방향)으로는 KOH 용액 또는 TMAH 용액과의 반응이 상대적으로 느리고, 실리콘 결정의 수직 방향(100면 방향)으로는 KOH 용액 또는 TMAH 용액과의 반응이 상대적으로 빠르다. 따라서, 상기 에어갭 형성부(15)의 둘레는 경사면(16)을 갖도록 식각되는 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1c의 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 응력 완충부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 에어갭 형성부(15) 상측에는 응력 완충부(20)가 증착된다. 상기 에어갭 형성부(15)와 응력 완충부(20)의 상측에는 멤브레인(25)이 증착된다.
상기 응력 완충부(20)는 다음과 같은 공정을 통하여 이루어진다.
상기 실리콘 기판(10)의 에어갭 형성부(15) 표면에 감광성 마스크 물질(21)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질(21)을 노광 및 현상하여 상기 응력 완충부(20)가 형성될 영역(22a)을 패터닝한다(도 2a 참조). 상기 응력 완충부(20)가 형성될 영역(22a)에 응력 완충부(20)를 증착한다(도 2b 참조). 그리고, 상기 감광성 마스크 물질을 제거한다(도 2c 참조).
상기 응력 완충부(20)는 열팽창 계수가 다른 다수의 물질층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 응력 완충부(20)는 크롬(20a)(Cr), 금(20b)(Au) 및 폴리이미드(20c)(Polyimide) 등이 적층되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 다수의 물질층(20a,20b,20c)의 열팽창 계수는 상기 실리콘 기 판(10)에서 멤브레인(25) 측으로 갈수록 점차적으로 커질 수 있다. 이에 관하여 아래의 표를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아래의 [표]에서, E는 young's modulus, α는 열팽창 계수를 나타낸다.
물질 E
(Gpa)		 α
(ppm/℃)		 Δα
(ppm/℃)		 ΔαE
(MPa/℃)		 밀도
(g/cm3)		 Possion's
ratio		 열전도도
(W/mK)		 두께
(um)
Si 178 2.6 - - 2.33 0.28 141 395
Ni 200 13.4 -10.8 -2.16 8.89 0.31 90.9 0.3
PI 2.5 35 -32.4 -0.081 1.43 - 0.52 1
Au 78 14.2 -11.6 -0.90 19.32 0.42 315 0.3
Cr 279 4.9 -2.3 -0.64 7.19 0.21 93.9 0.05
Si3N4 300 2.7 -0.1 -0.3 3.3 0.17 80 0.3
[표]
상기 실리콘 기판(10)에서 멤브레인(25) 측으로 갈수록 크롬(열팽창 계수 4.9), 금(열팽창 계수 14.2) 및 폴리이미드(열팽창 계수 35) 순서로 적층될 수 있다. 여기서, 실리콘 기판의 열팽창 계수는 2.6이고, 실리콘 기판의 보호층인 질화 실리콘의 열팽창 계수는 2.7이며, 니켈 멤브레인의 열팽창 계수는 13.4이다.
상기 응력 완충부(20)는 상기 멤브레인(25)이 진동될 때에 응력 완충부(20)의 완충 작용에 의해 상기 멤브레인(25)과 실리콘 기판(10)의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2C의 실리콘 기판의 멤브레인 상측에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 에어갭 형성부(15)와 응력 완충부(20)의 상측에는 멤브레인(25)이 증착된다. 이때, 상기 멤브레인(25)에는 공기가 통과할 수 있도록 공기 통과홀(25a)이 형성된다(도 3a 참조). 상기 멤브레인(25)은 음압에 의해 진동하는 진동판이며 정전용량을 측정하는 콘덴서의 하부 전극이다.
상기 멤브레인(25)은 무전해 도금법(electroless plating)에 의해 증착될 수 있다. 여기서, 무전해 도금법은 외부로부터 전기 에너지를 공급 받지 않고 금속이온을 환원제의 힘에 의해 환원시켜 실리콘 기판의 표면 위에 금속을 석출시키는 방법이다. 이러한 무전해 도금법은 전해도금에 비해서 멤브레인(25)의 두께를 전체적으로 균일하게 할 수 있고 또한 굴곡이 있는 면에도 멤브레인(25)을 쉽게 형성할 수 있다.
상기 멤브레인(25)의 무전해 도금법은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 먼저, 상기 에어갭 형성부(15)가 형성된 실리콘 기판(10)의 표면에 감광성 마스크 물질(21)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질(21)을 노광 및 현상하여 멤브레인(25)이 형성될 영역을 패터닝한다. 상기 패터닝된 실리콘 표면이 니켈 무전해 도금를 위해 표면 활성화된다. 상기 표면 활성화된 실리콘 기판(10)의 표면에 무전해 도금법에 의해 니켈 멤브레인(25)을 형성한다(도 3a 참조). 상기 니켈 멤브레인(25)이 형성된 후 상기 감광성 마스크 물질(21)을 제거한다(도 3b 참조). 마지막으로, 상기 멤브레인(25)의 표면을 세척한다.
또한, 상기 멤브레인(25)은 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되므로, 상기 멤브레인(25)을 증착하기 위해 종래와 같이 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다.
또한, 상기 멤브레인(25)은 금속성 재질로 이루어지므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 종래와 같이 폴 리 실리콘 재질의 멤브레인층에 전도성 이온을 주입할 필요가 없으므로, 멤브레인층에 별도의 고온 가열 공정을 수행할 필요가 없으며, 제조 공정도 감소될 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(25)과 실리콘 기판(10)은 열팽창 계수의 차이가 있더라도 고온으로 가열되지 않으므로, 상기 멤브레인(25)과 실리콘 기판(10)의 접촉부위에서 무전해 도금 공정 중에 잔류 응력(residual stress)인 압축 응력(compressive stress) 또는 인장 응력(tensile stress)이 거의 발생되지 않게 된다. 결국, 상기 멤브레인(25)이 잔류 응력에 의해 거의 변형되지 않으므로, 상기 멤브레인(25)이 정상적으로 진동되도록 하여 음향 특성을 안정화시킬 수 있다. 또한, 상기 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에서 잔류 응력이 거의 발생되지 않으므로, 상기 실리콘 기판과 멤브레인의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이에 비해, 종래와 같이 멤브레인(25)이 전해 도금법에 의해 형성될 때에는 상기 실리콘 기판의 표면에는 시드 레이어(seed layer)가 증착된 후 전기를 통전시켜야 한다. 상기 시드 레이어에는 전기가 균일한 세기로 분포되지 않고 전기가 부분적으로 불균일한 세기로 분포된다. 이때, 상기 멤브레인(25)에는 전도성 이온이 불균일한 두께로 도금되므로, 상기 멤브레인(25)의 두께가 전체적으로 불균일해질 수 있다. 그러나, 본 발명의 무전해 도금법은 멤브레인에 전류 밀도차가 없으므로, 멤브레인의 두께가 전체적으로 균일해진다.
한편, 상기 멤브레인(25)으로는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질이 적용될 수 있다. 상기 멤브레인(25)은 전도성 재질이므로, 상기 멤브레인(25)에는 전기가 통전될 수 있다. 나아가, 상기 멤브레인(25)은 연성 재질이므로, 상기 멤브레인(25)이 과잉 전류에 의해 진동할 때 또는 외부 충격이 가해질 때에 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(25)의 두께는 대략 0.1~5㎛로 형성될 수 있다. 상기 멤브레인(25)의 두께는 멤스 마이크로폰이 감지하는 음압에 따라 적절한 두께로 조절될 수 있다.
한편, 상기 멤브레인(25)이 무전해 도금될 때에 우선 도금용 메탈 증기(vapor)가 스퍼터(sputter) 또는 전자빔(E-beam)에 의해 상기 에어갭 형성부(15)의 상측에서 하측으로 거의 수직하거나 약간의 경사를 이룬 상태로 분사된다. 이때, 상기 에어갭 형성부(15)의 경사면(16)에는 상기 멤브레인(25)과 그 전극(미도시)이 단락될 우려가 없다. 그러나, 상기 멤브레인(25)이 무전해 도금될 때에는 굴곡이 있는 면에서도 용이하게 증착되므로, 상기 멤블레인과 그 전극(미도시)이 단락되지 않고 용이하게 이어질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3b의 멤브레인에 희생층과 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 상기 에어갭 형성부(15)에 희생층(33)을 증착시킨다. 이때, 상기 희생층(33)은 실리콘 기판에 소정 깊이로 식각된 에어갭 형성부에 증착되므로, 상기 희생층을 증착하기 위해 별도의 층을 증착하거나 식각할 필요가 없다. 따라서, 희생층을 용이하게 증착할 수 있고, 제조 공정을 감소시킬 수 있다.
상기 희생층(33)의 상면은 실리콘 기판(10)의 상면과 동일 평면을 이루도록 증착될 수 있다. 이때, 상기 희생층(33)이 상대적으로 점성이 높은 물질인 경우, 상기 희생층(33)의 표면을 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)를 통하여 평활해지게 할 수 있다. 또한, 상기 희생층(33)이 상대적으로 점성이 낮은 물질인 경우, 상기 희생층(33)의 표면이 평활하게 형성되어 상기 화학적 기계적 연마를 별도로 하지 않을 수 있다.
상기 희생층(33)은 산화 실리콘, 포토레지스트, 도금 구리 등의 재질로 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 백 플레이트(37)는 희생층(33)의 상측에 무전해 도금방식(electroless plating)으로 증착될 수 있다. 상기 백 플레이트(37)는 대략 2~100㎛의 두께로 증착될 수 있다. 이러한 백 플레이트(37)는 멤브레인(25)에 대향되도록 설치되어 정전용량을 측정하는 콘덴서의 상부 전극이다.
상기 백 플레이트(37)의 무전해 도금법은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 먼저, 상기 희생층(33)의 표면에 감광성 마스크 물질(미도시)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질을 노광 및 현상하여 백 플레이트(37)가 형성될 영역을 패터닝한다. 이때, 상기 백 플레이트(37)가 형성될 영역은 다수의 음공(38)이 형성될 수 있는 형태를 갖는다. 상기 패터닝된 백 플레이트(37) 영역이 니켈 무전해 도금를 위해 표면 활성화된다. 상기 표면 활성화된 백 플레이트(37) 영역의 표면에 무전해 도금법에 의해 니켈 백 플레이트(37)를 증착한다. 상기 니켈 백 플레이트(37)가 형성된 후 상기 감광성 마스크 물질을 제거하여 상기 백 플레이트(37)를 형성한다. 마지막으로, 상기 백 플레이트(37)의 표면을 세척한다. 이러한 백 플레이 트(37)의 무전해 도금법은 실질적으로 상술한 멤브레인(25)의 무전해 도금법과 거의 동일하다.
상기 백 플레이트(37)는 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되므로, 상기 백 플레이트(37)를 증착하기 위해 종래와 같이 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다. 또한, 상기 백 플레이트(37)는 금속성 재질로 형성되므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 종래와 같이 폴리 실리콘 재질의 백 플레이트 층에 전도성 이온을 주입할 필요가 없으므로, 종래와 같이 폴리 실리콘에 전도성 이온을 주입하기 위해 별도의 고온 가열 공정을 수행할 필요가 없으며, 제조 공정이 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(37)와 실리콘 기판(10)은 열팽창 계수의 차이가 있더라도 고온으로 가열되지 않으므로, 상기 백 플레이트(37)와 실리콘 기판(10)의 접촉부위에서 잔류 응력(residual stress)인 압축 응력(compressive stress) 또는 인장 응력(tensile stress)이 거의 발생되지 않게 된다. 결국, 상기 백 플레이트(37)가 잔류 응력에 의해 거의 변형되지 않으므로, 음향 특성을 안정화시킬 수 있다. 또한, 상기 백 플레이트(37)와 실리콘 기판(10) 사이에 잔류 응력이 거의 발생되지 않으므로, 상기 백 플레이트(37)와 실리콘 기판(10)의 접촉 부위에서 크랙(crack)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이에 비해, 종래와 같이 백 플레이트(37)가 전해 도금법에 의해 형성될 때에는 실리콘 기판의 표면에는 시드 레이어(seed layer)가 증착된 후 전기를 통전시켜 야 한다. 상기 시드 레이어에는 전기가 부분적으로 불균일한 세기로 분포된다. 이때, 상기 백 플레이트(37)에는 전도성 이온이 불균일한 두께로 도금되므로, 상기 백 플레이트(37)의 두께가 전체적으로 불균일해질 수 있다.
한편, 상기 백 플레이트(37)는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질로 형성될 수 있다. 상기 백 플레이트(37)는 전도성 재질이므로, 상기 백 플레이트(37)에는 전기가 통전될 수 있다. 나아가, 상기 백 플레이트(37)는 연성 재질이므로, 상기 백 플레이트(37)에 외부 충격이 가해질 때에 상기 백 플레이트(37)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4b의 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 하측 절연 보호층(12)에 감광성 마스크물질(미도시)을 도포한다. 상기 감광성 마스크물질을 노광 및 현상하여 백 챔버(41)가 형성될 영역을 패터닝한다(도 5a 참조).
상기 백 챔버(41)가 형성될 영역은 KOH 용액 또는 TMAH 용액에 의해 이방성 습식 식각될 수 있다(도 5b 참조). 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 감광성 물질, 금 또는 크롬이 사용될 수 있다.
또한, 상기 백 챔버(41)가 형성될 영역은 반응성 이온 식각법(DRIE: Deep Reactive Ion Etching)에 의해 이방성 건식 식각될 수 있다(도 5b 참조). 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 감광성 물질, 금 또는 크롬이 사용될 수 있다.
이와 같이 실리콘 기판(10)의 하측이 식각됨에 따라 상기 멤브레인(25)의 하측에는 백 챔버(41)가 형성된다.
도 5c를 참조하면, 상기 백 플레이트(37)의 음공(38)을 통해 상기 희생층(33)을 식각하여 제거한다. 이때, 상기 희생층(33)이 제거됨에 따라 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이에는 에어갭(45)이 형성된다. 상기 에어갭(45)은 상기 멤브레인(25)에 음압이 작용하였을 때에 상기 멤브레인(25)이 백 플레이트(37)와 접촉되지 않으면서 진동할 수 있도록 한다.
상기 에어갭(45)의 간격은 상기 에어갭 형성부(15)의 식각 깊이와 상기 희생층(33)의 두께에 의해 미리 설계될 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37)를 실리콘 기판(10)의 상측에 증착하지 않고 상기 실리콘 기판(10)의 내부나 표면에 위치되도록 할 수 있다. 결국, 본 발명은 종래에 비해 백 플레이트(37)와 멤브레인(25)의 높이만큼 멤스 마이크로폰의 높이를 낮출 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(25)의 공기 통과홀(25a)은 상기 멤브레인(25)에 음압이 작용할 때에 상기 에어갭(45)과 백 챔버(41)에 공기가 통과되도록 하므로, 상기 백 챔버(41)에는 대기압과 거의 동일한 압력이 형성되도록 한다. 따라서, 상기 멤브레인(25)에 음압이 정상적으로 작용할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성된 멤스 마이크로폰의 작용에 관해 설명하기로 한다.
도 6은 멤브레인과 응력 완충부의 작용을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6을 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰은 상기 멤브레인(25)이 음압에 의해 진동할 때에 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이의 에어갭(45)의 간격이 변 화된다. 이때, 상기 에어갭(45)의 간격이 변화됨에 따라 정전용량이 변화되고, 변화된 정전용량에 의해 음성을 전기적인 신호로 변환한다.
이때, 상기 멤브레인(25)에 잔류된 압축 응력(compressive stress)이 존재하는 경우, 상기 응력 완충부(20)는 멤브레인(25)이 진동될 때나 진동되지 않을 때에 상기 멤브레인(25)의 압축 응력을 완충한다.
또한, 상기 멤브레인(25)에 잔류된 인장 응력이 존재하는 경우, 상기 응력 완충부(20)는 멤브레인(25)이 진동될 때 또는 진동되지 않을 때에 상기 멤브레인(25)의 인장 응력을 완충한다.
따라서, 상기 응력 완충부(20)는 멤브레인(25)과 실리콘 기판(10)의 접촉 부위에서 발생되는 완충 응력을 해소시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 응력 완충부(20)는 잔류 응력에 의해 멤브레인(25)이 변형되는 것을 방지하여, 음향 감지를 정확하게 할 수 있도록 한다.
한편, 상기와 같은 멤스 마이크로폰은 에어갭 형성부(15)의 식각 깊이를 조절하여 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이의 에어갭(45)을 조절할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37)는 니켈을 포함하는 동일한 물질로 증착되므로, 공정이 단순화되고 제조단가가 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(37)와 멤브레인(25)은 동일한 공정에 의해 실리콘 기판(10)에 증착되므로, 멤스 마이크로폰의 제조 공정이 단순화되고 수율이 현저히 증가될 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37)는 무전해 도금에 의해 저온에서 증착되므로, 상기 실리콘 기판(10)과 멤브레인(25) 및 백 플레이트(37)의 접촉 부위에 잔류 응력이 발생되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인(25)이 변형되거나 접촉 부위에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에 관해 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰은 실리콘 기판(50)을 포함한다. 상기 실리콘 기판(50)의 양측에는 질화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00005
) 또는 산화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00006
)과 같은 절연 보호층(51,52)이 증착된다. 이때, 상기 절연 보호층(51,52)은 저압 기상 증착(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 실리콘 기판(50)의 표면에 증착된다.
상기 실리콘 기판(50)의 상측의 절연 보호층(51)은 에어갭 형성부(55)를 형성하기 위해 식각된다. 이때, 상기 실리콘 기판(50)의 상측 절연 보호층(51)은 RIE(Reactive Ion Etching) 장비에 의해 식각될 수 있다.
상기 실리콘 기판(50)의 상측을 KOH 용액 또는 TMAH 용액으로 식각하여 상기 에어갭 형성부(55)를 기 설정된 깊이(D)로 형성한다. 이때, 이때, 상기 에어갭 형성부(55)의 마스크 물질(61)로는 질화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00007
) 또는 산화 실리콘(
Figure 112009081145192-PAT00008
) 등이 적용될 수 있다.
상기 에어갭 형성부(55)의 깊이(D)를 기 설정된 깊이로 조절함에 의해 아래에서 설명할 멤브레인(77)과 백 플레이트(65) 사이의 간격을 조절할 수 있게 된다. 이러한 에어갭 형성부(55)의 깊이는 KOH 용액 또는 TMAH 용액의 농도, 식각 시간 및 온도 등에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 에어갭 형성부(55)의 둘레는 KOH 용액 또는 TMAH 용액으로 식각시 대략 54.74°의 경사각(α)을 갖는 경사면(56)이 형성될 수 있다. 이때, 실리콘 결정의 경사 방향(111 결정 방향)으로는 KOH 용액 또는 TMAH 용액과의 반응이 상대적으로 느리고, 실리콘 결정의 수직 방향(100 결정 방향)으로는 KOH 용액 또는 TMAH 용액과의 반응이 상대적으로 빠르다. 따라서, 상기 에어갭 형성부(55)의 둘레는 경사면(56)이 형성되는 것이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7의 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 상기 실리콘 기판(50)의 에어갭 형성부(55) 상측에는 백 플레이트(65)가 증착된다. 상기 백 플레이트(65)는 무전해 도금법에 의해 증착될 수 있다. 이러한 백 플레이트(65)는 정전용량에 의해 진동을 측정하는 콘덴서의 하부 전극이다.
상기 백 플레이트(65)의 무전해 도금법은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 먼저, 상기 에어갭 형성부(55)가 형성된 실리콘 기판(50)의 표면에 감광성 마스크 물질(61)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질(61)을 노광 및 현상하여 백 플레이트(65)와 음공(66)이 형성될 영역을 패터닝한다(도 8a 참조). 상기 패터닝된 실리콘 표면은 니켈 무전해 도금를 위해 표면 활성화된다. 상기 표면 활성화된 실리콘 기판(50)의 표면에 무전해 도금법에 의해 니켈 백 플레이트(65)를 형성한다(도 8b 참조). 상기 니켈 백 플레이트(65)가 형성된 후 상기 감광성 물질을 제거한다(도 8c 참조). 마지막으로, 상기 백 플레이트(65)의 표면을 세척한다.
상기 백 플레이트(65)는 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되어 형성되므로, 상기 백 플레이트(65)를 증착하기 위해 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다. 상기 백 플레이트(65)는 금속성 재질로 이루어지므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 종래와 같이 폴리 실리콘에 금속성 이온을 주입 및 안정화시키기 위해 별도의 고온 가열 공정을 거칠 필요가 없으며, 제조 공정이 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(65)와 실리콘 기판(50)은 열팽창 계수의 차이가 있더라도 고온으로 가열되지 않으므로, 상기 백 플레이트(65)와 실리콘 기판(50)의 접촉부위에서 잔류 응력(residual stress)인 압축 응력(compressive stress) 또는 인장 응력(tensile stress)이 거의 발생되지 않게 된다. 결국, 상기 백 플레이트(65)가 잔류 응력에 의해 거의 변형되지 않으므로, 상기 백 플레이트(65)와 실리 콘 기판(50)의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이에 비해, 종래와 같이 백 플레이트가 전해 도금법에 의해 형성될 때에 상기 백 플레이트의 표면에는 시드 레이어(seed layer)가 증착된 후 전기를 통전시켜야 한다. 상기 시드 레이어에는 전기가 부분적으로 불균일한 세기로 분포된다. 이때, 상기 백 플레이트에는 전도성 이온 등이 불균일한 두께로 도금되므로, 상기 백 플레이트의 두께가 전체적으로 불균일해질 수 있다. 그러나, 본 발명의 무전해 도금법은 백 플레이트에 전류 밀도차가 없으므로, 백 플레이트의 두께가 전체적으로 균일해진다.
한편, 상기 백 플레이트(65)로는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질이 적용될 수 있다. 상기 백 플레이트(65)는 전도성 재질이므로, 상기 백 플레이트(65)에는 전기가 통전될 수 있다. 또한, 상기 백 플레이트(65)는 연성 재질이므로, 상기 백 플레이트(65)가 외부 충격에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(65)의 두께는 대략 2~100㎛로 형성될 수 있다. 상기 백 플레이트(65)의 두께는 멤스 마이크로폰이 감지하는 음압에 따라 적절한 두께로 조절될 수 있다.
한편, 상기 백 플레이트(65)가 전해 도금될 때에 우선 도금용 메탈 증기(vapor)가 스퍼터(sputter) 또는 전자빔(E-beam)에 의해 상기 에어갭 형성부(55)의 상측에서 하측으로 거의 수직하거나 약간의 경사를 이룬 상태로 분사된다. 이때, 상기 에어갭 형성부(55)의 경사면(56)에는 상기 백 플레이트(65)와 그 전극(미도시)이 단락될 우려가 있다. 그러나, 상기 백 플레이트(65)가 무전해 도금 될 때에는 굴곡이 있는 면에도 용이하게 증착되므로 상기 백 플레이트와 그 전극(미도시)이 단락되지 않고 용이하게 이어질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 실리콘 기판의 백 플레이트 상측에 희생층과 응력 완충부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 9a를 참조하면, 상기 에어갭 형성부(55)에 희생층(73)을 증착시킨다. 이때, 상기 희생층(73)은 실리콘 기판(60)에 소정 깊이(D)로 식각된 에어갭 형성부(55)에 증착되므로, 상기 희생층(73)을 증착하기 위해 별도의 층을 증착하거나 식각할 필요가 없다. 따라서, 희생층을 용이하게 증착할 수 있고, 제조 공정을 감소시킬 수 있다.
상기 희생층(73)의 상면은 실리콘 기판(50)의 상면과 동일 평면을 이루도록 증착될 수 있다. 이때, 상기 희생층(73)이 점성이 높은 고상의 물질인 경우, 상기 희생층(73)의 표면을 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)를 통하여 평활해지게 할 수 있다. 또한, 상기 희생층(73)이 점성이 낮은 물질인 경우, 상기 희생층(73)의 표면이 평활하게 형성되어 상기 화학적 기계적 연마를 별도로 하지 않을 수 있다.
상기 희생층(73)은 산화 실리콘, 포토레지스트, 도금 구리 등의 재질로 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 상기 희생층(73)의 상측 둘레에는 응력 완충부(70)가 증착된다.
상기 응력 완충부(70)는 다음과 같은 공정을 통하여 이루어진다.
상기 희생층(73)의 표면에 감광성 마스크 물질(72)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질(72)을 노광 및 현상하여 상기 응력 완충부(70)가 형성될 영역(72a)을 패터닝한다. 상기 응력 완충부(70)가 형성될 영역(72a)에 응력 완충부(70)를 증착한다. 그리고, 상기 감광성 마스크 물질을 제거한다.
상기 응력 완충부(70)는 열팽창 계수가 다른 다수의 물질층(70a,70b,70c)으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 응력 완충부(20)는 크롬(70a)(Cr), 금(70b)(Au) 및 폴리이미드(70c)(Polyimide) 등이 적층되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 다수의 물질층(70a,70b,70c)의 열팽창 계수는 상기 실리콘 기판(50)에서 멤브레인(77) 측으로 갈수록 점차적으로 커질 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(50)에서 멤브레인(77) 측으로 갈수록 크롬(열팽창 계수 4.9), 금(열팽창 계수 14.2) 및 폴리이미드(열팽창 계수 35) 순서로 적층될 수 있다. 여기서, 실리콘 기판의 열팽창 계수는 2.6이고, 실리콘 기판의 보호층인 질화 실리콘의 열팽창 계수는 2.7이며, 니켈 멤브레인의 열팽창 계수는 13.4이다. 상기 물질층들의 물성에 관해서는 상술한 [표]에 도시된 바와 같다.
상기 응력 완충부(20)는 상기 멤브레인(77)이 진동될 때에 다수의 물질층(70a,70b,70c)의 완충 작용에 의해 상기 멤브레인(77)과 실리콘 기판(50)의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지한다. 이러한 응력 완충부(20)의 작용에 관해서는 상술한 바와 실질적으로 동일하므로 이에 관한 설명은 생략하기로 한다.
도 10은 응력 완충부와 희생층에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 상기 멤브레인(77)은 희생층(73)의 상측에 무전해 도금방식으로 증착될 수 있다. 상기 멤브레인(77)은 대략 0.1~5㎛의 두께로 증착될 수 있다.
상기 멤브레인(77)의 무전해 도금법은 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 먼저, 상기 희생층(73)의 표면에 감광성 마스크 물질(미도시)을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질을 노광 및 현상하여 멤브레인(77)이 형성될 영역을 패터닝한다. 상기 패터닝된 멤브레인(77) 영역이 니켈 무전해 도금를 위해 표면 활성화된다. 상기 표면 활성화된 멤브레인(77) 영역의 표면에 무전해 도금법에 의해 니켈 멤브레인(77)을 형성한다. 상기 니켈 멤브레인(77)이 형성된 후 상기 감광성 물질을 제거한다. 마지막으로, 상기 멤브레인(77)의 표면을 세척한다.
상기 멤브레인(77)은 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되어 형성되므로, 상기 멤브레인(77)을 증착하기 위해 종래와 가이 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다.
상기 멤브레인(77)은 금속성 재질로 이루어지므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인(77)에 금속성 이온을 주입하는 별도의 고온 가열 공정을 수행할 필요가 없다.
상기 멤브레인(77)과 실리콘 기판(50)은 열팽창 계수의 차이가 있더라도 고온으로 가열되지 않으므로, 상기 멤브레인(77)과 실리콘 기판(50)의 접촉부위에서 잔류 응력(residual stress)인 압축 응력(compressive stress) 또는 인장 응력(tensile stress)이 거의 발생되지 않게 된다. 결국, 상기 멤브레인(77)이 잔류 응력에 의해 거의 변형되지 않으므로, 상기 멤브레인(77)과 실리콘 기판(50)의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(77)은 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질로 형성될 수 있다. 상기 멤브레인(77)은 전도성 재질이므로 전기가 통전될 수 있다. 또한, 상기 멤브레인(77)은 연성 재질이므로 과잉 전류 또는 외부 충력에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 11a를 참조하면, 상기 실리콘 기판(50)의 하측 절연 보호층(52)에 감광성 마스크물질을 도포한다. 상기 감광성 마스크물질을 노광 및 현상하여 백 챔버(81)가 형성될 영역을 패터닝한다.
상기 백 챔버(81)가 형성될 영역은 KOH 용액 또는 TMAH 용액에 의해 이방성 습식 식각될 수 있다. 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 감광성 물질, 금 또는 크롬이 사용될 수 있다.
또한, 상기 백 챔버(81)가 형성될 영역은 반응성 이온 식각법(DRIE: Deep Reactive Ion Etching)에 의해 이방성 건식 식각될 수 있다. 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 감광성 물질, 금 또는 크롬이 사용될 수 있다.
이와 같이 실리콘 기판(50)의 하측이 식각됨에 따라 상기 백 플레이트(65)의 하측에는 백 챔버(81)가 형성된다.
도 11b를 참조하면, 상기 백 플레이트(65)의 음공(66)을 통해 상기 희생층(73)을 식각하여 제거한다. 이때, 상기 희생층(73)이 제거됨에 따라 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65) 사이에는 에어갭(85)이 형성된다. 상기 에어갭(85)은 상기 멤브레인(77)에 음압이 작용하였을 때에 상기 멤브레인(77)이 백 플레이트(65)와 접촉되지 않으면서 진동할 수 있도록 한다.
상기 에어갭(85)의 간격은 실리콘 기판(50)의 식각 깊이와 상기 에어갭 형성부(55)의 증착 높이에 의해 미리 설계될 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65)를 실리콘 기판(50)의 상측에 증착하지 않고 상기 실리콘 기판(50)의 내부나 표면에 위치되도록 할 수 있다. 결국, 본 발명은 종래에 비해 백 플레이트(65)와 멤브레인(77)의 높이만큼 멤스 마이크로폰의 높이를 낮출 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(77)의 공기 통과홀(77a)은 상기 멤브레인(77)에 음압이 작용할 때에 상기 에어갭(85)과 백 챔버(81)에 공기가 통과되도록 하므로, 상기 백 챔버(81)와 에어갭(85)에는 대기압과 거의 동일한 압력이 형성되도록 한다. 따라서, 상기 멤브레인(77)에는 음압이 정상적으로 작용할 수 있도록 한다.
상기와 같은 멤스 마이크로폰은 에어갭 형성부(55)의 식각 깊이를 조절하여 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65) 사이의 에어갭(85)을 조절할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65)는 니켈을 포함하는 동일한 물질로 증착되므로, 공정이 단순화되고 제조단가가 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(65)와 멤브레인(77)은 동일한 공정에 의해 실리콘 기판(50)에 증착되므로, 멤스 마이크로폰의 제조 공정이 단순화되고 수율이 현저히 증가될 수 있다.
또한, 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65)는 무전해 도금에 의해 저온에서 증착되므로, 상기 실리콘 기판(50)과 멤브레인(77) 및 백 플레이트(65)의 접촉 부위에 잔류 응력이 발생되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인(77)이 변형되거나 접촉 부위에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에서 잔류 응력를 감소시켜 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있으므로, 산업상으로 현저한 이용 가능성이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1c의 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 응력 완충부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2c의 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3b의 멤브레인에 희생층과 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 4b의 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5c의 멤브레인과 응력 완충부의 작용을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7의 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8c의 백 플레이트 상측에 희생층과 응력 완충부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9b의 응력 완충부와 희생층에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시 한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,50: 실리콘 기판 15,55: 에어갭 형성부
16,56: 경사면 25,77: 멤브레인
33,73: 희생층 37,65: 백 플레이트
41,81: 백 챔버 45,85: 에어갭
20,70: 응력 완충부 20a,20b,20c,70a,70b,70c: 물질층

Claims (21)

  1. 백 챔버가 형성되는 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판에 증착되고, 다수의 음공이 형성된 백 플레이트;
    상기 백 플레이트와 이격되어 에어갭이 형성되도록 상기 실리콘 기판에 증착되는 멤브레인; 및
    상기 멤브레인과 실리콘 기판의 접촉 부위에 증착되는 응력 완충부;를 포함하는 멤스 마이크로폰.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응력 완충부는 열팽창 계수가 다른 다수의 물질층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 물질층의 열팽창 계수는 상기 실리콘 기판에서 멤브레인 측으로 갈수록 커지는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 응력 완충부는 크롬, 금 및 폴리이미드 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판에는 기 설정된 깊이로 식각됨에 따라 에어갭 형성부가 형성되고,
    상기 멤브레인은 에어갭의 하측 또는 실리콘 기판의 상측에 증착되고,
    상기 백 플레이트는 멤브레인과 이격되어 에어갭을 형성하도록 에어갭의 하측 또는 실리콘 기판의 상측에 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인 또는 백 플레이트는 무전해 도금법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  8. 실리콘 기판에 응력 완충부가 증착되는 단계;
    상기 응력 완충부에 멤브레인이 증착되는 단계;
    상기 멤브레인에 희생층이 증착되는 단계;
    상기 희생층에 다수의 음공이 형성되도록 백 플레이트가 증착되는 단계;
    상기 실리콘 기판의 하측을 식각하여 백 챔버가 형성되도록 하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 멤브레인과 백 플레이트 사이에 에어갭이 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 응력 완충부가 증착되는 단계에서는, 다수의 물질층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 응력 완충부가 증착되는 단계에서는, 상기 실리콘 기판에서 멤브레인으로 갈수록 열팽창 계수가 큰 물질층이 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 응력 완충부는 크롬, 금 및 폴리이미드 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 응력 완충부가 증착되는 단계는:
    상기 실리콘 기판에 에어갭 형성부가 형성되는 단계; 및
    상기 에어갭 형성부의 바닥면에 응력 완충부가 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인 또는 백 플레이트가 증착되는 단계에서는, 무전해도금법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  15. 실리콘 기판에 백 플레이트가 증착되는 단계;
    상기 백 플레이트에 희생층이 증착되는 단계;
    상기 실리콘 기판의 백 플레이트 둘레에 응력 완충부가 증착되는 단계;
    상기 응력 완충부와 희생층에 멤브레인이 증착되는 단계;
    상기 실리콘 기판의 하측을 식각하여 백 챔버가 형성되도록 하는 단계; 및
    상기 희생층을 제거하여 상기 멤브레인과 백 플레이트 사이에 에어갭이 형성되도록 하는 단계;를 포함하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 응력 완충부가 증착되는 단계에서는, 다수의 물질층이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 응력 완충부가 증착되는 단계에서는, 상기 실리콘 기판에서 멤브레인으로 갈수록 열팽창 계수가 큰 물질층이 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 응력 완충부는 크롬, 금 및 폴리이미드 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판에 백 플레이트가 증착되는 단계는:
    상기 실리콘 기판에 에어갭 형성부가 형성되는 단계; 및
    상기 에어갭 형성부의 바닥면에 백 플레이트가 증착되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 멤브레인 또는 백 플레이트가 증착되는 단계에서는, 무전해도금법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
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