KR20150002539A - 다이어프램과 카운터 전극 사이에 저압 영역을 갖는 mems 마이크로폰 - Google Patents

다이어프램과 카운터 전극 사이에 저압 영역을 갖는 mems 마이크로폰 Download PDF

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Abstract

MEMS 마이크로폰은 제1 다이어프램 요소, 카운터 전극 요소, 및 제1 다이어프램 요소와 카운터 전극 요소 사이의 저압 영역을 포함한다. 저압 영역은 주위 압력보다 낮은 압력을 갖는다.

Description

다이어프램과 카운터 전극 사이에 저압 영역을 갖는 MEMS 마이크로폰{MEMS MICROPHONE WITH LOW PRESSURE REGION BETWEEN DIAPHRAGM AND COUNTER ELECTRODE}
실시예들은 MEMS(microelectromechanical system) 마이크로폰에 관한 것이다. 일부 실시예들은 MEMS 마이크로폰을 제조하는 방법에 관한 것이다. 일부 실시예들은 MEMS 사운드 트랜스듀서에 관한 것이다. 일부 실시예들은 (거의) 진공 마이크로폰 및/또는 (거의) 진공 스피커에 관한 것이다.
압력 센서들, 가속 센서들, 마이크로폰들 또는 라우드스피커들과 같은 트랜스듀서들을 설계할 때, 전형적으로 높은 SNR(signal-to-noise ratio)을 달성하는 것이 바람직하다. 트랜스듀서들의 계속적인 소형화는 요망되는 높은 SNR에 대하여 새로운 도전과제를 부과할 수 있다. 예를 들면, 모바일 폰 및 유사한 디바이스들에서 이용될 수 있는 마이크로폰들 및 라우드스피커들은, 최근 실리콘 마이크로폰 또는 마이크로전자기계 시스템들로서 구현될 수 있다. 경쟁력 있고, 예측되는 성능을 제공하기 위해, 실리콘 마이크로폰들은 높은 SNR을 필요로 할 수 있다. 그러나, 콘덴서 마이크로폰을 예로서 고려하면, 전형적으로 SNR은 콘덴서 마이크로폰 구성에 의해 제한될 수 있다.
콘덴서 마이크로폰들의 현재의 설계들에 의해 달성될 수 있는 제한된 SNR의 문제는, 특히 MEMS로서 구현될 때, 다음과 같이 설명될 수 있다. 전형적으로, 콘덴서 마이크로폰은 카운터 전극으로서 기능할 수 있는 백플레이트(backplate) 및 다이어프램(diaphragm)을 포함할 수 있다. 사운드는 백플레이트를 통해 전달되며, 그러므로, 백플레이트는 전형적으로 구멍을 갖는다. 백플레이트는, 백플레이트가 다이어프램 뒤에(즉, 사운드의 도달 방향의 반대편을 향하는 다이어프램의 측면에서) 배열되는 설계들에서 조차도 백플레이트에 구멍이 있을 수 있으며, 그 이유는, 동작 동안에 다이어프램이 다이어프램과 백플레이트 사이의 볼륨에서의 공기의 일부를, 구멍이 난 백플레이트를 통해 후면 공동(backside cavity)으로 푸시할 수 있기 때문임을 주지해야 한다. 후면 공동 및 백플레이트의 구멍이 없는 경우, 다이어프램과 백플레이트 사이의 볼륨은 매우 뻑뻑한 스프링처럼 동작하여, 다이어프램이 도달하는 사운드에 응답하여 크게 진동하는 것을 막을 수 있다.
용량성 마이크로폰들의 다른 설계로는 다이어프램 및 카운터 전극이 다이어프램의 측방향 둘레에서 복수의 서로 맞물린 콤브 핑거들을 갖는 소위 콤브 드라이브(comb drive)를 이용할 수 있다. 이러한 콤브 센서 마이크로폰들은 백플레이트가 없어 잡음이 감소될 수 있었다. 서로 맞물린 콤브 핑거들 사이에 잡음의 유동성 요소(fluidic element)는 여전히 존재할 수 있다.
MEMS 마이크로폰이 제공될 수 있다. MEMS 마이크로폰은 제1 다이어프램 요소, 카운터 전극 요소, 및 제1 다이어프램 요소와 카운터 전극 요소 사이의 저압 영역(low-pressure region)을 포함할 수 있다. 저압 영역은 주위 압력보다 낮은 압력을 가질 수 있다.
MEMS 마이크로폰을 제조하는 방법이 제공될 수 있다. 방법은 제1 다이어프램 요소와 카운터 전극 요소 사이에 저압 영역을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 저압 영역 내로 물질이 진입하는 것을 내구성 있게 방지하여, 저압 영역 내의 지정된 저압을 평균적으로 내구성 있게 유지하는 것을 더 포함할 수 있다.
첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 기술된다.
도 1은 단일의 다이어프램 요소 및 저압 영역을 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다.
도 2는 저압 영역을 둘러싸는 제1 다이어프램 요소 및 제2 다이어프램 요소를 포함하는, MEMS 마이크로폰, MEMS 라우드스피커, 또는 MEMS 사운드 트랜스듀서의 개략적인 단면을 도시한다.
도 3a 및 3b는 사운드에 노출되어 동작 중인 도 2의 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 4는 도 2의 개략적인 단면과 추가적으로 MEMS 마이크로폰에 대한 전력 공급 및 감지 회로를 도시하는 개략적인 회로도를 도시한다.
도 5a 및 5b는 제1 단면 위치에서의 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 6a 및 6b는 다른 단면 위치에서의 동일한 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 7a 및 7b는 또다른 단면 위치에서의 동일한 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 8a 및 8b는 또다른 단면 위치에서의 동일한 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 9a 및 9b는 다른 단면 위치에서의 동일한 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 10은 MEMS 마이크로폰의 개략적인 투시의 부분 단면도를 도시한다.
도 11은 MEMS 마이크로폰의 일부 세부사항들을 더욱 잘 도시하기 위한, 도 10과 같은 개략적인 투시의 부분 단면도를 도시한다.
도 12는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면, 및 제1 및 제2 다이어프램 요소들에 대한 대기압의 영향을 도시한다.
도 13은 둘 이상의 필러(pillar)들 사이의 영역에 걸치는 다이어프램 세그먼트의 치수화를 도시한다.
도 14는 대기압에서의 도 13의 다이어프램 세그먼트의 중심에서의 벤딩의 양을, 다이어프램 세그먼트의 측면 길이 및 두께의 함수로서 개략적으로 도시한다.
도 15는 안티-스티킹(anti-sticking) 범프들을 갖는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다.
도 16a 및 16b는 측방향으로 세그먼트화된 카운터 전극을 갖는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 제1 및 제2 다이어프램 요소들에 대한 힌지(hinge)들 또는 서스펜션(suspension)들로서 작용하는 비교적 부드러운 다이어프램 요소들을 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 17c는 도 17a 및 도 17b에서의 MEMS 마이크로폰의 일부의 개략적인 투시 컷어웨이 도면을 도시한다.
도 18a는 X 형상 카운터 전극을 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 수평 단면을 도시한다.
도 18b 및 18c는 도 18a로부터의 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면들을 도시한다.
도 19는 서로 전기적으로 절연될 수 있는 제1 및 제2 다이어프램 요소들 및 단일의 카운터 전극을 포함하는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다.
도 20a 내지 20o는 MEMS 마이크로폰을 제조하는 방법의 프로세스 흐름을 개략적으로 도시한다.
동일한 또는 등가의 요소들, 또는 동일한 또는 등가의 기능을 갖는 요소들은, 이하의 설명에서 동일한 또는 등가의 참조 번호들에 의해 표시된.
이하의 설명에서, 본 발명의 실시예들에 대한 보다 완전한 설명을 제공하기 위해 복수의 세부사항들이 개시된다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자라면, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있음을 명백히 알 것이다. 한편, 잘 알려진 구조들 및 디바이스들은, 본 발명의 실시예들을 불명료하게 하지 않도록, 세부사항 생략하고 블록도 형태로 도시된다. 또한, 이후에 기술된 상이한 실시예들의 특징들은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 서로 결합될 수 있다.
표준 콘덴서 마이크로폰들은 멤브레인 이동에 의해 갭 거리의 변경을 갖는 병렬 플레이트 캐패시턴스를 이용할 수 있다. 이것은 구멍들을 통한 공기 이동의 잡음이 있음을 의미할 수 있다. 오늘날의 마이크로폰들에서의 SNR의 문제를 연구할 때, 구멍이 난 백플레이트는 주된 잡음 발생요인 중 하나로서 식별될 수 있다. 하나의 가능한 해결책은 구멍이 난 백플레이트를 제거하는 것일 수 있지만, 이는 새로운 센서 개념을 필요로 할 수 있다. 발명자들에 의해 수행된 실험 및 시뮬레이션에 의하면, 구멍이 난 백플레이트를 제거함에 따라, 이론적으로, 4 내지 27 dB(데시벨 사운드 압력 레벨) 만큼의 SNR이 개선된다고 한다. 40 mm3의 액티브 볼륨을 갖는 비교적 큰 마이크로폰에 대해, 구멍이 난 백플레이트가 제공되는 경우, SNR은 대략 71 dB(A)일 수 있다. 구멍이 난 백플레이트의 제거 이후에, SNR은 98 dB(A)로 증가될 수 있다. 2.3 mm3의 액티브 볼륨을 갖는 비교적 작은 마이크로폰의 경우, 개선은 그다지 크지 않을 수 있지만, 구멍이 난 백플레이트가 제공되는 경우 69 dB(A)이 구멍이 난 백플레이트의 제거 이후 73dB(A)로, 이 역시 4 dB 개선된다.
음향 시스템들에서의 잡음은 마이크로구조들에서의 공기의 점성 흐름(viscous flow)으로부터 발생될 수 있으며, 댐핑(damping) 및 소산적 손실을 초래할 수 있다. 용량성 마이크로폰 개념의 경우, 본 명세서에서 기술된 일부 양상들은, 이동가능한 멤브레인 혹은 다이어프램 내부의 저압 분위기 하에서 또는 진공 하에서 정적 기준 전극(static reference electrode)(카운터 전극)을 캡슐화하는 방법을 개시할 수 있다. 본 명세서에서 개시된 다른 양상들은, 그러한 조건들 하에서, 단일의 다이어프램 요소와 카운터 전극 요소 사이에 저압 영역이 제공되는 방법을 개시할 수 있다.
도 1은 저압 영역(132)이 다이어프램 요소(112)와 카운터 전극 요소(122) 사이에 제공될 수 있는 MEMS 마이크로폰에 대한 개념을 개략적으로 도시한다. 도 1은 가능한 실시예를 예로서 개략적으로 도시한다. 후속하는 설명의 부분들과의 일관성을 위해, 다이어프램(112)은 "제1 다이어프램 요소" 라고 지칭될 수도 있다. 다이어프램 요소(112)는 그 측면들 중 하나에서, 주위 압력에, 그리고 잠재적으로는 사운드 압력에 노출될 수 있다. 다이어프램 요소(112)의 이 측면은 다이어프램 요소(112)의 사운드 수용 주표면으로서 간주될 수도 있다. 다이어프램 요소(112)는 그것의 다른 주표면에서 저압 영역(132)에 인접할 수 있다. 다이어프램 요소(112)는 멤브레인 또는 멤브레인 요소로서 구현될 수 있다. 사운드 압력에 응답한 다이어프램 요소(112)의 이동은 대시-도트-도트 라인들에 의해 도 1에서 개략적으로 도시될 수 있다(이동은 예시의 목적을 위해 다소 과장되게 도시될 수 있음을 주지해야 한다).
저압 영역(132)은 파선에 의해 도 1에서 개략적으로 도시될 수 있다. 저압 영역(132)의 압력은 전형적으로 주위 압력 또는 표준 대기압보다 낮을 수 있다. 저압 영역(132)은 다이어프램 요소(112), 그리고 또한 카운터 전극 요소(122)와 인접하고, 전형적으로는 직접 접촉할 수 있다.
다이어프램 요소(112)는 주의 압력과 전형적으로 주위 압력보다 낮을 수 있는 저압 영역(132) 내의 압력 사이의 압력 차이만큼 바이어싱될 수 있다. 따라서, 다이어프램 요소(112)는, 다이어프램 요소(112)에 어떠한 사운드도 도달하지 않을 때, 대응하는 정지 위치(rest position) 또는 구성을 가정할 수 있다. 저압 또는 진공 영역 내부의 유체의 밀도에 따라 보다 낮은 압력이 보다 낮은 댐핑을 초래할 수 있다. 동시에, 정상 압력을 견디고, 사운드를 감지하는 멤브레인은 어떠한 백 볼륨(back volume)도 필요치 않을 수 있으며, 그것은 유동성 결합을 통해 제2 전극에 전달된 힘이 거의 없거나 또는 없을 수 있기 때문이다. 예로서 몇몇 수치로 보면, 멤브레인은 약 100 kPa 까지의 절대 압력을 견뎌야 할 수 있다. 사운드 압력은, 예를 들어, 약 1mPa 까지 또는 10mPa 까지의 범위에서 감지될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 저압 영역에서의 압력은 실질적으로 진공 또는 거의 진공일 수 있다. 다른 구현의 예에서, 저압 영역에서의 압력은 주위 압력 또는 표준 대기압의 약 50%보다 낮을 수 있다. 또한, 저압 영역에서의 압력은 주위 압력 또는 표준 대기압(표준 대기압은 전형적으로 101.324 KPa 또는 1013.25 밀리바(millibar)일 수 있음)의 약 45%, 40%, 35%, 30%, 25% 또는 20%보다 낮을 수 있는 것도 가능하다. 또한, 저압 영역에서의 압력은, 예를 들면, 50 KPa보다 낮은, 40 KPa보다 낮은, 30 KPa보다 낮은 또는 25 KPa보다 낮은 절대 압력으로서 표현될 수 있다. 어떠한 경우이든, 저압 영역에서의 압력은 전형적으로, 그것이 합리적으로 예상되어야 하는 기상 조건들에 대한, 및 MEMS 마이크로폰이 사용될 수 있는 해수면에 대한 고도들(예를 들면, 해수면 위로 9000 미터까지)에 대한 대기압의 전형적인 범위보다 낮을 수 있도록 선택될 수 있다.
제1 다이어프램 요소는 적어도 약 1 nm/Pa의 다이어프램 컴플라이언스(diaphragm compliance)를 가질 수 있다. 대안적인 구현들에 따르면, 다이어프램 컴플라이언스는 적어도 약 2 nm/Pa, 적어도 약 3 nm/Pa, 적어도 약 4 nm/Pa, 또는 적어도 약 5 nm/Pa일 수 있다. 전형적으로, 다이어프램 컴플라이언스는 다이어프램의 강성(stiffness)의 역으로서 이해될 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 이용된 바와 같이, 다이어프램 컴플라이언스는 다이어프램의 크기로 정규화될 수 있으며, 특정한 사운드 압력, 여기서는, 1 Pa(Pascal)로 충전될 때 다이어프램의 최대 편향(deflection)을 나타낼 수 있다. 일반적으로 이용될 수 있는 공기에서의 기준 사운드 압력은 Pref = 20 μPa(rms)일 수 있으며, 그것은 사람 청각(human hearing)의 임계값에 대략적으로 대응한다. 이러한 기준 사운드 압력의 경우, 94 dB의 사운드 압력 레벨(sound pressure level; SPL)이 1 Pa의 사운드 압력을 초래할 수 있다(비교를 위해, 1 미터에서의 잭 해머(jack hammer)는 대략 100 dB의 사운드 압력 레벨을 가질 수 있다).
도 2는 제1 다이어프램 요소(212)보다는 카운터 전극 요소(222)의 대향 측면 상에 배치된 제2 다이어프램 요소(214)를 더 포함할 수 있는 MEMS 마이크로폰을 통한 개략적인 단면을 도시한다. 도 2는 다른 가능한 실시예를 도시한다. MEMS 마이크로폰은 제1 다이어프램 요소(212)와 제2 다이어프램 요소(214) 사이에서 연장되는 복수의 필러 또는 지주(strut)(272)를 포함할 수 있다. 전형적으로, 필러들(272)은 카운터 전극 요소(222)와 접촉 또는 터치하지 않으며, 그보다는 카운터 전극 요소(222)에서의 개구들 또는 홀들(227)을 통해 카운터 전극 요소(222)를 통과할 수 있다. 도 2에 개략적으로 도시된 구현 예에서, 필러들(272)은 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214)과 일체적으로 형성될 수 있다. 그러므로, 제1 다이어프램 요소(212), 제2 다이어프램 요소(214) 및 필러들(272)은 동일한 재료, 예를 들면, 다결정 실리콘의 일체형 구조를 형성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이것은 제1 다이어프램 요소(212), 제2 다이어프램 요소(214) 및 필러들(272)이 MEMS 마이크로폰의 제조 동안에 동시에 형성될 필요가 있음을 의미하지는 않는다. 그보다, 제2 다이어프램 요소(214)가, 제1 퇴적 프로세스 동안에, 기판(202)의 표면 상(또는, 에칭 중지층과 같은 보조 층의 표면 상)에 먼저 형성될 수 있다. 후속하여, 필러들(272) 및 결과적으로 제1 다이어프램 요소(212)는 제2 퇴적 프로세스 동안에, 그리고 가능하게는 제3 퇴적 프로세스 동안에도 형성될 수 있다. 이하에 기술될 대안적인 구현 예들에서, 필러들(272)은 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214)과는 다른 재료로 제조될 수 있다. 제1 다이어프램 요소(212)는 (도 2에서 화살표에 의해 개략적으로 도시된) 사운드의 도달 방향을 향하는 주표면을 가질 수 있다.
도 2에서의 단면도에 예로서 개략적으로 도시된 MEMS 마이크로폰에서, 제2 카운터 전극 요소(224)가 제1 카운터 전극 요소(222)에 추가하여 제공될 수 있다. 제2 카운터 전극 요소(224)는 제1 카운터 전극 요소(222)로부터 이격될 수 있다. 카운터 전극 절연층(counter electrode isolating layer)(252)은 제1 카운터 전극 요소(222) 및 제2 카운터 전극 요소(224)를 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다. 도 2에 개략적으로 도시된 MEMS 마이크로폰의 예에서, 제1 카운터 전극 요소(222), 제2 카운터 전극 요소(224) 및 카운터 전극 절연층(252)은, 지지 구조에 의해 그 주변 또는 둘레에서 지지될 수 있는 카운터 전극 배열 또는 카운터 전극 구조를 형성할 수 있다. 도 2에 도시된 카운터 전극 배열의 3개의 중앙 부분들은 저압 영역(232) 내에서 "부동 상태(floating)"인 것으로 나타나지만, 그것들은 파선에 의해 나타낸 바와 같이, 도 2의 도시 평면의 위 및/또는 아래의 카운터 전극 구조의 둘레에 전형적으로 부착될 수 있다.
도 2에 개략적으로 도시된 예에서, 지지 구조는 적층된 구성을 가질 수 있고, 제1 다이어프램 요소(212), 제2 다이어프램 요소(214) 및 카운터 전극 배열(222, 224, 252)의 주변 부분들은 그들의 주표면들 중 하나 또는 둘에서, 지지 구조와 평면적으로 접촉할 수 있다. 지지 구조 자체는 기판(202)의 주표면에서 배열될 수 있다. 기판(202)의 이러한 주표면 상에서, 다양한 층들이 다음과 같은 순서, 예를 들면, 제2 다이어프램 요소(214), 제2 다이어프램 절연부(244), 제2 카운터 전극 요소(224), 카운터 전극 절연부(252), 제1 카운터 전극 요소(222), 제1 다이어프램 절연부(242) 및 제1 다이어프램 요소(212)의 순서로, 서로의 위에 배열될 수 있다. 후면 공동(298)이 기판(202)에 형성되어, 제2 다이어프램 요소(214)가 사운드 파(sound wave)에 응답하여 진동하도록 할 수 있다.
구조의 압력 상황을 연구시에, 제1 다이어프램 요소(212), 필러들(272) 및 제2 다이어프램 요소(214)를 포함하는 다이어프램 구조는 진공 공동 또는 저압 공동에 대하여 외부 대기의 1 바(bar) 과압력을 견디기에 충분히 단단해야 할 수 있다. 특히, 필러들(272)은 구조를 안정화시키기 위해 카운터 전극 배열("고정자(stator)" 라고도 지칭됨)의 홀들(227)을 통해 도달하는 수직 리지(vertical ridge)들로서 간주될 수 있다. 다이어프램 배열(212, 214)은 빽빽하게 밀봉될 수 있다.
도 2는, 예를 들면, 다이어프램 요소들(212, 214)이 편향되도록 할 수 있는 사운드 파가 다이어프램 요소들(212, 214)에 도달하지 않을 때와 같은, 정지 위치에서의 MEMS 마이크로폰을 도시한다. 사운드 파가 도달하는 제1 다이어프램 요소(212)의 측면에서, 전체 압력은 p(t) = 정상 압력 + psound(t)로서 표현될 수 있다. 후면 공동(298) 내에서, 정상 대기압만이 제공되며, 즉, p0 = 정상 압력이다. 저압 영역(232) 내에서, 압력은 비교적 낮을 수 있는데, 예를 들면, pgap ~ 0 또는 pgap < 50% 주위 압력일 수 있다.
도 3a 및 3b는 가능한 예들 및/또는 실시예들로서 사운드에 노출될 수 있을 때, 가능한 MEMS 마이크로폰을 통한 개략적인 단면들을 도시한다. 도 3a는 다이어프램 배열(212, 214, 272)이, 후면 공동(298) 내의 기준 압력에 비교하여 제1 다이어프램 요소(212)에 인접한 상부 면에서의 사운드에 의해 초래된 상대적인 과압력으로 인해 푸쉬 다운될 수 있는 상황을 도시한다. 즉,
p(t) = 정상 압력 + |psound|
도 3b에서, 사운드 수용 면에서의 압력은, 다이어프램 배열(212, 214, 272)이 상향으로 편향될 수 있도록, 후면 공동(298) 내의 압력보다 낮을 수 있다. 따라서, 다이어프램 구조 또는 멤브레인 구조는 사운드 하에서 카운터 전극 구조(222, 224, 252)(고정자)에 대하여 위 및 아래로 이동한다. 도 3b에서의 부족 압력(underpressure)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
p(t) = 정상 압력 - |psound|
도 4는 MEMS 마이크로폰이 전력 공급 회로 및 증폭기에 전기적으로 접속되는 방법의 예를 개략적으로 도시한다. 도 4는 가능한 접속의 예를 도시한다. 다른 배열들 또한 가능하다. 도 4에서, 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214)은 다이어프램 접속(412)에 의해 전기 접지 전위 또는 기준 전위에 접지될 수 있다. 제1 카운터 전극 요소(222)는 제1 카운터 전극 접속(422)에 의해 제1 전력 공급 회로에, 그리고 또한 증폭기(401)의 제1 입력에 전기적으로 접속될 수 있다. 제1 전력 공급 회로는 전압 소스(402) 및 저항기(406)를 포함한다. 저항기(406)는 수 기가 옴(Giga Ohm) 또는 심지어 1 테라 옴(Tera Ohm)만큼 높은 정도의 매우 높은 저항을 가질 수 있다. 증폭기(401)는 차동 증폭기일 수 있다. 제2 카운터 전극 요소(224)는 제2 카운터 전극 접속(424)에 의해 제2 전력 공급 회로 및 증폭기(401)의 제2 입력에 접속될 수 있다. 제2 전력 공급 회로는 제2 전압 소스(404), 및 전형적으로 저항기(406)와 대략 동일한 저항을 갖는 제2 저항기(408)를 포함한다. 제1 및 제2 전력 공급 회로는, 전기 기준 전위(접지 전위)에 대하여, 제1 및 제2 카운터 전극 요소들(222, 224) 각각을 전기적으로 바이어싱한다. 다이어프램 구조가 도달하는 사운드에 응답하여 편향될 수 있을 때, 제1 및 제2 카운터 전극 요소들(222, 224)에서의 전기 전위들은, 다이어프램 구조와 제1 및 제2 카운터 전극 요소들 각각 사이의 가변하는 캐패시턴스들로 인해 반대 방향들로 변할 수 있다. 이것은 도 4에서, 증폭기(401)의 제1 입력 및 제2 입력 각각이 공급되는 제1 파형(432) 및 제2 파형(434)에 의해 개략적으로 도시된다. 증폭기(401)는 입력 신호들(432, 434), 특히, 입력 신호들(432, 434)의 차이에 기초하여 증폭된 출력 신호(430)를 생성할 수 있다. 그 다음, 증폭된 출력 신호(430)는 후속하는 신호 처리, 예를 들면, 아날로그-디지털 변환, 필터링 등을 위해, 다른 구성요소들에 공급될 수 있다.
이제, 2개의 다이어프램 요소와 저압 영역 내의 카운터 전극 사이에 저압 영역을 갖는 MEMS 마이크로폰의 가능한 구현이 도 5a 내지 도 10에 대하여 기술될 것이다. 도 5a 내지 도 10은 가능한 구현들의 가능한 실시예들 및/또는 예들을 도시한다. 도 5a, 6a, 7a, 8a, 9a는 실질적으로 동일할 수 있으며, 도 5b, 6b, 7b, 8b, 9b 각각에 도시된 대응하는 수평 단면의 위치를 나타낼 수 있다. 도 5a 내지 도 10에 개략적으로 도시된 예는 주위 대기와 후면 공동(298) 사이의 정적 압력 등화를 위한 배기 구멍(ventilation hole)(515)을 포함하는 측방향 설계에 관한 것일 수 있다.
도 6a는, 도 6b에 개략적으로 도시되는 다음 수평 단면이 제2 다이어프램 요소(214)을 통과하는 단면을 따라 수행될 수 있음을 나타낸다. 배기 구멍(515)은 이 위치에서 정사각형 단면을 가질 수 있다.
도 7a는 MEMS 마이크로폰의 다른 개략적인 단면을 도시하고, 도 7b는 제2 다이어프램 절연부(244)의 높이에서 수행될 수 있는 대응하는 개략적인 수평 단면을 도시한다. MEMS 마이크로폰의 도시된 예에서, 제2 다이어프램 절연부(244)는 제2 다이어프램 요소(214)와 제2 카운터 전극 요소(224) 사이에 전기적 절연을 제공할 뿐만 아니라, 제2 카운터 전극 요소(224) 및 제2 카운터 전극 요소(224)의 최상부 상에 배열될 수 있는 다른 구조들에 대한 지지부로서 기능할 수도 있다. 그러므로, 제2 다이어프램 절연부(244)는 마찬가지로 지지 구조의 일부로서 간주될 수 있다. 또한, 제2 다이어프램 절연부(244)는 저압 영역(232)을 측방향으로 한정 또는 제한할 수 있다. 또한, 필러들(272)도 도 7a 및 7b에서 나타난다. 필러들(272)과 유사한 방식으로, 채널(715)은 제1 다이어프램 요소(212)와 제2 다이어프램 요소(214) 사이에서 연장되는 4개의 측벽들에 의해 형성될 수 있다. 채널(715)은 도시된 예에서 정사각형 단면을 가질 수 있지만, 다른 단면 형상들도 가질 수 있다. 채널(715)은 배기 구멍(515)에 대하여 저압 영역(232)을 밀봉할 수 있다.
도 7b에서, 필러들(272) 각각은 길게 늘어지는 단면, 특히 직사각형 단면을 가질 수 있음을 볼 수 있다. 그러나, 다른 단면 형상들도 가능하다. 그러므로, 필러들(272) 각각은, 두껍기보다는 상당히 넓을 수 있으며, 예를 들면, 폭이 두께의 3배와 6배 사이가 될 수 있다. 필러의 폭은 도 7b에서 "w"로서 개략적으로 나타낼 수 있으며, 필러(272)의 두께는 도 7b에서 "t"에 의해 개략적으로 나타낼 수 있다. 필러들(272)의 제1 서브세트는 그들의 단면 폭 w가 제1 방향을 따라서 연장하도록 지향될 수 있다. 필러들(272)의 제2 서브세트는 그들의 단면 폭 w가 제1 방향과 평행하지 않을 수 있는 제2 방향으로 연장하도록 상이하게 지향될 수 있다. 도 7b에 개략적으로 도시된 예에서, 필러들(272)의 제2 서브세트의 단면 지향성의 제2 방향은, 필러들의 제1 서브세트 내의 필러들(272)의 단면 지향성을 기술하는 제1 방향에 직교할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 복수의 필러들(272)이 필러들의 3개의 또는 그보다 많은 서브세트로 세분될 수 있으며, 그 각각이 상이한 단면 지향성의 방향을 갖는다. 필러들(272)은 대기에 의해 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 상으로 가해진 과도 압력에 대하여 전체 다이어프램 배열의 실질적으로 등방성의 강성(stiffness)을 달성하기 위해 상이한 단면 지향성들을 갖는다. 더욱이, 필러들(272)의 적어도 일부는, 도 8b에서 볼 수 있듯이, 카운터 전극 배열(222, 224, 152)을 위한 충분한 공간을 남기기 위해 서로 이격될 수 있다.
도 8b는 카운터 전극 절연부(252)의 높이에서의 수평 단면을 도시한다. 카운터 전극 절연부(252)의 기하구조는 도시된 예에서 제1 및 제2 카운터 전극 요소들(222, 224)의 기하구조들을 또한 나타낼 수 있으며, 따라서 제1 카운터 전극(222), 카운터 전극 절연부(252) 및 제2 카운터 전극 요소(224)의 3개의 층들을 포함하는 전체 카운터 전극 배열에 대한 것일 수 있다. 카운터 전극 절연부(252)는 홀들(227)을 포함할 수 있다. 필러들(272)은 홀들(227)의 테두리(rim)들을 접촉하지 않고서, 즉, 충분한 간격(clearance)을 가지고 홀들(227)을 통과할 수 있다. 따라서, 다이어프램 배열은, 다이어프램 배열이 사운드 파에 노출될 때 그 중심 부분 내에서 주로 발생될 수 있는 다이어프램 배열의 위 또는 아래로의 편향시, 카운터 전극 배열에 대하여 위 및 아래로 이동할 수 있다. 더욱이, 카운터 전극 배열 내의 홀들(227)은, 다이어프램 배열과 카운터 전극 배열 사이의 단락 회로를 초래하는, 필러들(272)의 제1 카운터 전극(222) 및/또는 제2 카운터 전극(224)과 의 접촉을 방지할 수 있다.
다이어프램 배열에 일부 추가적인 기계적 안정성을 제공하기 위해, 도 8b에서의 채널(715)의 측벽들은 도 7b의 수평 단면에서보다 두꺼울 수 있다. 배기 구멍(515)은 도 8b에 도시된 위치에서 원형 단면을 가질 수 있다.
도 9b는 도 8b와 유사한 수평 단면을 도시하며, 제1 카운터 전극 요소(222)의 높이에서의 단면이라는 차이가 있다.
도 10은 MEMS 마이크로폰의 개략적인 투시 단면도를 도시한다. 도 11은 카운터 전극 배열 및 필러들(272)의 관계가 더 상세히 도시될 수 있는 개략적인 투시 단면도를 도시한다. 특히, 도 11은 필러들(272) 중 하나가 카운터 전극 배열에 형성될 수 있는 홀들(227) 중 하나를 통과하는 방법을 도시할 수 있다.
도 12는 다이어프램 섹션들의 벤딩이 개략적으로 도시될 수 있는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다. 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 사이의 진공 또는 저압으로 인해, 서스펜딩된 다이어프램 부분들이 주위 압력으로 로딩되어 벤딩을 초래할 수 있다. 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 사이에서 전형적으로 규칙적으로 배열될 수 있는 필러들(272)로 인해, 벤딩은 비교적 작은 양으로 감소될 수 있다.
도 13은 하나의 서스펜딩된 다이어프램 부분(멤브레인 부분)을 개략적으로 도시한다. 서스펜딩된 다이어프램 부분의 측방향 치수 "l", 두께 t다이어프램, 및 그 고유의 스트레스는 벤딩의 양을 정의할 수 있다. 예로서, 도 14는 상이한 두께 및 측면 길이들에 대해 스트레스가 없는(stress-free) 폴리실리콘 다이어프램의 작은 정사각형 세그먼트의 1 바(bar) 압력(대기압) 하의 벤딩에 대한 계산들의 결과를 그래프로 도시한다. 전형적인 치수들의 경우(측면 길이 = 20 ㎛, 두께는 0.5 ㎛), 벤딩은 약 140 nm일 수 있으며, 전형적으로 2 ㎛의 공기 갭에 대해 수용가능할 수 있다. 다이어프램 층에서의 장력 스트레스(tensional stress)는 벤딩을 추가적으로 감소시킬 수 있다.
도 15는 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 사이에 저압 영역(232)을 가질 수 있는 가능한 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다. 도 15에 개략적으로 도시된 구현 예에 따르면, 제1 다이어프램 요소(212)는 저압 영역(232)을 대향할 수 있는 제1 다이어프램 요소(212)의 표면에 배열될 수 있는 안티-스티킹 범프들(1512)을 포함할 수 있다. 안티-스티킹 범프들(1512)은 접착력으로 인해 제1 카운터 전극 요소(222)에 제1 다이어프램 요소(212)가 붙을 위험을 감소시킬 수 있다. 유사한 방식으로, 제2 카운터 전극 요소(224)는 제2 다이어프램 요소(214)를 대향하는 제2의 복수의 안티-스티킹 범프들(1524)을 포함할 수 있다. 안티-스티킹 범프들(1512)은 제1 다이어프램 요소(212)와 통합될 수 있다. 안티-스티킹 범프들(1524)은 제2 카운터 전극 요소(224)와 하나의 부분으로서 통합될 수 있다.
도 16a는 카운터 전극들의 측방향 분할 갖는 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다. 도 16b는 동일한 MEMS 마이크로폰의 개략적인 수평 부분을 도시한다. 이러한 실시예에서, 제1 전극 요소(222)는, 제1 카운터 전극 요소(222)를 전력 공급기 및 판독 회로들과 같은 외부 회로와 전기적으로 접촉시키기 위한 작은 접촉 스트립(contact strip)을 제외하고는, 지지 구조 내로 더이상 연장되지 않는다. 제1 카운터 전극 요소(222)는 제1 카운터 전극 요소(222)를, 둘러싸는 카운터 전극 재료(1622)로부터 전기적으로 절연시킬 수 있는 갭(1623)에 의해 측방향으로 구획될 수 있다. 제1 카운터 전극 요소(222)는 MEMS 마이크로폰의 중심 영역으로 제한될 수 있다. 제1 다이어프램 요소(212) 및 제2 다이어프램 요소(214)는 마진 영역(margin region)에서보다는 중심 영역에서의 사운드 파에 의한 여기(excitation)로 인해 보다 큰 편향을 겪을 수 있다. 마진 영역에서, 즉, 지지 구조 내에서 및 지지 구조 부근에서, 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214)은 전형적으로 사운드 파에 응답하여 크게 이동하지 않을 수 있다. 따라서, 마진 영역은 캐패시턴스들의 변화에 기여하지 않을 수 있다. 제1 및 제2 카운터 전극 요소들(222, 224)의 측방향 분할은 전형적으로 사운드 파에 응답하여, 그리고 그에 따라 MEMS 마이크로폰의 보다 높은 민감도에 응답하여, 보다 큰 퍼센티지의 캐패시턴스 변화를 초래할 수 있다. 갭(1623)은 외부 주위 대기에 대하여 저압 영역(232)을 밀봉하기 위해 지지 영역을 통과할 때 제1 다이어프램 절연부(242)의 재료로 채워질 수 있다. 제2 카운터 전극 요소(224)와 대응하는 마진 재료(1624) 사이의 갭에 의해, 제2 다이어프램 절연부(244)가 요소들(224, 1624) 사이의 갭을 채우는데 이용될 수 있다는 점에서, 동일한 것이 행해질 수 있다. 대안에서, 갭(1623) 및 제2 카운터 전극 요소(224) 주변의 갭은 전용의 절연 재료로 채워지거나 또는 전용의 절연 재료로 대체될 수 있다.
도 17a는 보다 부드러운 다이어프램들 또는 멤브레인들이 도입되고, 저압 영역 내, 즉, 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 사이의 저압에 대하여는 뻣뻣함을 유지하는 방법의 예로서 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다. 도 17b는 대응하는 수평 부분을 도시한다. MEMS 마이크로폰은 힌지 요소(hinge element) 또는 제3 다이어프램 요소(1716)를 포함할 수 있다. 힌지 요소 또는 제3 다이어프램 요소(1760)는 제1 다이어프램 요소(212)와 지지 구조(1706) 사이에 연결될 수 있다. 힌지 요소/제3 다이어프램 요소(1716)의 강성은 제1 다이어프램 요소(212)의 강성보다 낮을 수 있고 및/또는 제2 다이어프램 요소(214)의 강성보다 낮을 수 있다. 제3 다이어프램 요소(1716)는 저압 영역(232)을 측방향으로 한정하도록 구성된 벽(wall) 요소(1717)를 포함할 수 있다. 벽 요소(1717)는 지지 구조(1706)가 저압 영역(232)을 한정하는데 참여할 수 있도록 지지 구조(1706)에 연결될 수 있다. 도 17a 및 17b에 개략적으로 도시된 MEMS 마이크로폰은 4개의 힌지 요소들/제3 다이어프램 요소들(1716)을 포함할 수 있다. 제1 카운터 전극 요소(222)는 힌지 요소(1716)로부터 독립적으로 지지 구조(1706)에 연결될 수 있다. 이것은 제1 카운터 전극 요소(222)가 저압 영역(232)으로부터 도 17b에서의 지지 구조(1706)로 연장되도록 하는 힌지 요소(1716)에서의 적어도 하나의 갭을 제공함으로써 달성될 수 있다. 이것은 카운터 전극 절연부(252)에 대해 개략적으로 도시될 수 있다. 제1 카운터 전극 요소(222) 및 제2 카운터 전극 요소(224)의 구조는 카운터 전극 절연부(252)의 구조와 실질적으로 유사할 수 있다. 도 17a 및 17b에 도시된 구성에서, 4개의 힌지 요소들(1716) 사이에 제공된 4개의 갭들이 존재할 수 있으며, 4개의 갭들은 예를 들면, 4개의 힌지 요소들(1716)에 의해 형성된 정사각형의 4개의 코너들에 제공된다.
도 17c는 제1 및 제2 다이어프램 요소들(212, 214) 및 힌지 요소들(1716) 중 2개의 개략적인 투시 컷어웨이 도면을 도시한다. 명료성을 위해, 카운터 전극 요소들(222, 224) 및 카운터 전극 절연부(252)는 도 17c에서의 도시로부터 생략되었다. 힌지 요소들(1716) 각각은 2개의 트로프(trough)가 서로 바텀-투-바텀(bottom-to-bottom) 방식으로 배열되는 "이중-트로프(double-trough)"로서 기술될 수 있는 구조를 형성할 수 있음을 볼 수 있다. 코너에서, 2개의 힌지 요소들(1716)은 서로 만날 필요는 없으며, 카운터 전극 구조가 다이어프램 구조로부터 독립적으로 지지 구조에 기계적으로 및 전기적으로 연결될 수 있도록 힌지 요소들(1716) 사이에 갭을 남길 수 있다. 힌지 요소들(1716)은 이러한 구현 예에서 H 형상 단면을 가질 수 있다. 대안적인 구현들에서, 힌지 요소(들)(1716)은 예를 들면, U 형상 단면 또는 다른 단면을 가질 수 있으며, 여기서, 예를 들어, 제2 다이어프램 요소(214)는 "U"의 하부 바(lower bar)를 형성하도록 연속적일 수 있으며, 제1 다이어프램 요소(212)는 벽 요소(1717)에 의해 중단될 수 있다. 도 17c에서의 파선들은 저압 영역(232)의 내측 윤곽들의 일부를 개략적으로 나타낼 수 있다.
도 18a 내지 18c는 MEMS 마이크로폰들의 다른 가능한 구현으로 카운터 전극 요소들이 대략적으로 X 형상 구성을 개략적으로 도시한다. 도 18a는 제1 카운터 전극 요소(1822) 및 힌지 요소들 또는 제3 다이어프램 요소(1816)의 개략적인 평면도를 도시할 수 있다. 명료성을 위해, 일부 요소들, 예를 들면, 도 17a 내지 17c에서의 벽 요소들(1717)은 도시로부터 생략될 수 있다. 제1 카운터 전극 요소(222)는 제1 카운터 전극 요소(222)의 중심 부분으로부터 X 형상 방식으로 연장될 수 있는 4개의 암(arm)들에 의해 지지 구조(1706)에서 중단될 수 있음을 볼 수 있다. 대안적인 구현으로서, 제1 카운터 전극 요소(1822)는 단지 1개의 암, 2개의 암, 3개의 암 또는 임의의 다른 수의 암에 의해 지지 구조에서 지지될 수 있다.
도 18b는 도 18a의 MEMS 마이크로폰을 통한 개략적인 단면을 도시한다. 도 18c는 MEMS 마이크로폰을 통한 대응하는 수평 부분을 도시한다. 도 18c에서 볼 수 있듯이, 도 18b의 단면은 도 18b에서의 좌측 부분이 힌지 요소(1816)를 통한 단면을 도시하고, 도 18b의 우측 부분이 카운터 전극 절연부(1852)를 통한 개략적인 단면을 도시하도록 각이 있는 부분 평면에서 행해질 수 있다. 힌지 요소 또는 제3 다이어프램 요소(1816)는 이러한 영역에서의 힌지 요소(1816)의 벤딩을 촉진하는 주름 라인들(corrugation lines)(1818)을 포함할 수 있다. 각각의 힌지 요소(1816)의 벤딩은 주름 라인들(1818)의 길게 늘어지는 확장부에 평행하게 연장되는 축에 대한 회전으로서 기술될 수 있다. 힌지 요소(1816)의 벽 요소(1817)는 주위 대기에 대하여 저압 영역(232)을 한정하기 위하여 사용될 수 있다. 이를 위해, 벽 요소(1817)는 지지 구조(1706)에 연결될 수 있다. 도 18a 내지 18c에 도시된 예에서, 벽 요소(1817)는 소정의 각도로 지지 구조(1706)에서 시작될 수 있는 제1 벽 부분, 지지 구조(1706)에 실질적으로 평행하게 연장될 수 있는 제2 벽 부분, 소정의 각도로 지지 구조(1706)와 합쳐질 수 있는 제3 벽 부분을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 벽 요소(1817)는 힌지 요소(1816)의 나머지, 특히, 주름 라인들(1818)을 포함하는 부분을 둘러싸는 사다리꼴 사각형(trapezoid)의 3개의 측면들을 형성할 수 있다. 사다리꼴 사각형의 제4 측면은 지지 구조에 의해 형성될 수 있다. 다른 환기 구멍들(vent holes)(1815)이 힌지 요소(들)(1816) 중 하나 이상의 내에 형성될 수 있다. 배기 구멍들(1815)이 주위 압력과 후면 공동(298) 사이의 정적인 압력 등화를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 중앙 필러(715)에 다른 환기 구멍(515)이 존재할 수도 있다.
도 19는 MEMS 마이크로폰의 가능한 구현의 다른 예를 도시하며, 여기서, 고정자, 즉, 카운터 전극 배열은 단일의 전극으로서 실현될 수 있고, 이동가능한 다이어프램 구조는 서로에 대하여 전기적으로 절연될 수 있는 2개의 전극들을 포함한다. MEMS 마이크로폰은 제1 다이어프램 요소(1912) 및 제2 다이어프램 요소(1914)를 포함할 수 있다. 제1 다이어프램 요소(1912)는 복수의 전기 절연 필터들(1972)을 통해 제2 다이어프램 요소(1914)에 기계적으로 연결될 수 있다. 카운터 전극 배열은 전기 도전 재료의 단일의 카운터 전극 요소(1922)를 포함할 수 있다. 또한, 서로에 대하여 전기적으로 절연될 수 있는 2개의 카운터 전극들, 그리고 서로에 대하여 전기적으로 절연될 수 있는 추가의 2개의 다이어프램들, 즉, MEMS 마이크로폰에 대한 4개의 상이한 전극들을 제공할 수 있다.
도 20a 내지 20o는 전술한 바와 같은 MEMS 마이크로폰의 제조 프로세스에 대한 가능한 예의 다양한 스테이지 또는 단계 동안의 웨이퍼의 일부의 개략적인 단면을 도시한다. 임의의 치수들, 다양한 층들의 두께 값들, 재료 선택 등은 단지 예시적인 것이며, 따라서 변경될 수 있는 것이다.
도 20a는 실리콘이 단결정 구조로 배열될 수 있는 실리콘 웨이퍼일 수 있는 기판(202)을 도시한다. 하부 에칭 중지층(203)은 기판(202)의 상부 주표면에서 퇴적될 수 있다. 하부 에칭 중지층(203)은 제조 프로세스의 이후의 스테이지에서 발생될 수 있는 공동(298)을 형성하기 위한 에칭 프로세서의 신뢰성 있는 중지를 보장할 수 있다. 하부 에칭 중지층(203)은 전형적으로, 예를 들면, 산화물, 열 산화물, 또는 TEOS로 형성될 수 있다. 그 두께는 0.1과 1 ㎛사이일 수 있다.
도 20b는 제2 다이어프램 요소(214)를 위한 층이 하부 에칭 중지층(203) 상에 퇴적된 이후의 웨이퍼의 개략적인 단면을 도시한다. 더욱이, 제2 다이어프램 요소(214)는 도 20b에서 이미 구성될 수도 있다. 재료는 MEMS 마이크로폰의 모터의 일부로서 도핑된 폴리실리콘 층으로서 퇴적될 수 있는 도핑된 폴리실리콘일 수 있다. 층(214)은 전형적으로 0.5와 2 ㎛ 사이의 두께일 수 있다.
도 20c는 하부 갭에 대한 희생 산화물(2044)의 층이 도 20b에 도시된 구조 상에 퇴적된 이후 웨이퍼의 개략적인 단면을 도시한다. 희생 산화물은 하부 에칭 중지층(203)과 실질적으로 동일한 재료일 수 있다. 제2 다이어프램 요소(214)의 최상부 상의 퇴적된 제2 다이어프램 산화물(2044)의 두께는 전형적으로, MEMS 마이크로폰에 대한 원하는 갭 폭에 따라, 약 0.5와 2 ㎛ 사이일 수 있다.
도 20d는 다층 고정자의 다양한 층들이 이전에 퇴적된 희생 산화물(2044) 상에 퇴적된 이후의 개략적인 단면을 도시한다. 다층 고정자는 도시된 예에서 3개의 층, 즉, 제2 카운터 전극 요소(224)를 후속하여 형성하기 위한 층(2024), 카운터 전극 절연부(252)를 후속하여 형성하기 위한 전기 절연 재료의 층(2052) 및 제1 카운터 전극 요소(222)를 후속하여 형성하기 위한 층(2022)을 포함할 수 있다. 층들(2024, 2022)은 도핑된 폴리실리콘이거나 또는 도핑된 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 층(2052)은 실리콘 질화물 SiN을 포함할 수 있다. 다른 재료들, 예를 들면, 단결정 실리콘(벌크 또는 실리콘-온-절연체(SOI)), 다결정 실리콘, 금속(예를 들면, 알루미늄 또는 AlSiCu)이 또한 가능하다. 유전체 층들은 산화물, Si3N4, SixNyO, 폴리이미드(polyimide) 등을 포함할 수 있다. 다층 고정자의 다양한 층들의 두께는, 예를 들면, 제1 및 제2 카운터 전극 요소들(2022, 2024)의 층들에 대해 약 0.1과 1 ㎛ 사이이고, 카운터 전극 절연부(2052)의 층에 대해 약 0.1과 0.5 ㎛ 사이일 수 있다.
도 20e는 3개의 층들(2024, 2052, 2022)을 포함하는 다층 고정자가 구성되고, 특히, 개구들(2027) 또는 트렌치들이 다층 고정자에 형성될 수 있는 이후의 개략적인 단면을 도시하며, 개구들(2027)은 가능하게는, 예를 들어, 제2 다이어프램 절연층(2044)으로 연장한다.
그 다음, 개구들(2027)은 퇴적 프로세스, 예를 들면, 약 0.5와 5 ㎛ 사이의 두께를 갖는 TEOS 퇴적(2042)에 의해 채워질 수 있다. 제2 다이어프램 절연층(2044)이 퇴적된 재료와 동일한 재료인 경우, 2개의 층들이 합쳐져서 하나의 구조를 형성할 수 있다. TEOS 퇴적 이후의 개략적인 단면이 도 20f에 도시될 수 있다. 다른 퇴적 재료들도 이와 마찬가지로 사용될 수 있다.
도 20g는 마스크(2045)가 제2 다이어프램 절연층(2042) 상에 퇴적되어 구성될 수 있는 이후의 개략적인 단면을 도시한다. 그 다음, 소위 스페이서 에칭 프로세스(필러 에칭 프로세스)가 수행될 수 있으며, 그 결과를 도 20h에서 볼 수 있다. 특히, 홀들(2027)이 그들의 깊이 방향으로 연장됨으로써, 그들이 이제 아래쪽으로 제2 다이어프램 요소(214)에 도달할 수 있다.
도 20i에서, 마스크(2045)가 제거될 수 있다. 홀들(2027)은 이제 미래의 필러들(272)의 형상을 정의할 수 있다. 후속 단계에서, 도핑된 폴리실리콘(2012)의 추가적인 퇴적이 수행되어, 홀들(2027)을 채울 수 있다(도 20j). 퇴적된 도핑된 폴리실리콘의 두께는 예를 들면, 약 0.5와 2 ㎛ 사이일 수 있다.
후속하여, 퇴적된 도핑된 폴리실리콘(2012)이 구성될 수 있다. 제1 다이어프램 층(2012)을 구성함으로써, 복수의 작은 홀들(2011)이 제1 다이어프램 층(2012)에 생성될 수 있다. 각각의 홀은, 예를 들면, 약 0.1과 1 ㎛ 사이의 직경을 가질 수 있다. 작은 홀들(2011)은 후속하여 에칭 홀들로서 이용될 수 있으며, 그 다음 다시 폐쇄될 수 있다. 도 20j는 제1 다이어프램 층(2012)이 퇴적 및 구성된 이후의 개략적인 단면을 도시한다. 작은 에칭 홀들(2011)의 형성과 동시에, 제1 다이어프램 층(2012)의 측방향 분할이, 후속하여 완성될 수 있는 제1 다이어프램(212)을 제1 다이어프램 재료(2012)의 둘러싸는 부분으로부터 분리시킬 수 있는 갭(2021)을 형성함으로써 수행될 수 있다. 제1 다이어프램 재료의 둘러싸는 부분은 후속하여 제1 카운터 전극 요소(222), 제2 카운터 전극 요소(224) 및/또는 제2 다이어프램 요소(214)를 전기적으로 접촉시키는데 이용될 수 있다.
도 20k는 측방향 분할(2021)이 마스크(2046)에 의해 일시적으로 커버된 이후의 개략적인 단면을 도시한다. 마스킹되지 않은 남아 있는 작은 홀들(2011)을 이용함으로써, 제2 다이어프램 층(214)과 제1 다이어프램 층(2012) 사이의 산화물을 제거하기 위해 릴리스 에칭(release etch)이 수행될 수 있다. 릴리스 에칭 프로세스는 희생 재료(2042, 2044)의 마진 부분이 에칭제에 의해 에칭되지 않도록 시간 제어될 수 있는데, 그 이유는, 가장 가까운 홀(2011)의 거리가 릴리스 에칭 프로세스의 지속 기간 동안 이러한 마진 부분에 도달하기에는 에칭제에 대하여 너무 클 수 있기 때문이다. 시간 제어된 에칭 프로세스 대신에, 에칭 중지를 제공하기 위한 다른 형태들이 마찬가지로 이용될 수 있다.
도 20l은 마스크(2046)가 제거된 이후의 개략적인 단면을 도시한다. 도 20m에서, 에칭 홀 폐쇄(etching hole closuer)가 수행되어 작은 홀들(2011)을 적절한 폐쇄 재료(2019)로 폐쇄할 수 있으며, 그것은 도 20m 및 후속하는 도면들 20N 및 20O에서 두꺼운 라인으로 개략적으로 표시될 수 있다. 이러한 폐쇄 단계는 저압 대기 또는 (거의) 진공 하에서 수행되어, 저압 영역(232)을 얻을 수 있다. 에칭 홀 폐쇄는 이하의 동작들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
저압 하에서 산화물이 논-컨포멀(non-conformal) 퇴적으로 코팅, 또는
BPSG(borophosilicate glass)의 퇴적 및 이후의 저압/진공 하에서의 리플로우, 또는
저압/진공 하에서의 포일(foil)의 적층.
도 20m은 BPSG가 저압 영역(232)의 내측 측벽들을 커버하도록 할 수 있는 BPSG의 퇴적의 경우를 도시한다.
도 20n은 콘택 홀들이 에칭된 이후 제조 동안의 MEMS 마이크로폰의 개략적인 단면을 도시한다. 제1 콘택(2082)이 제1 콘택 홀 내에 형성될 수 있으며, 제1 다이어프램 요소(212)에 대한 전기 접속을 제공할 수 있다. 제2 콘택(2092)이 제2 콘택 홀 내에 제공되어, 제1 카운터 전극 요소(222)에 대한 전기 접속을 제공할 수 있다. 제3 콘택(2094)이 제3 콘택 홀 내에서, 제2 카운터 전극 요소(224)에 대한 전기 접속으로서 제공될 수 있다. 측방향 분할(들)(2021), 제1 다이어프램 절연부(242) 및 카운터 전극 절연부(252)는, 예를 들면, 상이한 콘택들(2082, 2092, 2094) 사이에 전기 절연을 제공함을 주지해야 한다. 제2 다이어프램 요소(214)에 대한 콘택은 도 20n에 명시적으로 도시되지 않을 수 있지만, 예를 들면, 콘택들(2082, 2084, 2092)과 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
도 20o는 예를 들면, DRIE/Bosch Process(DRIE: Deep Reactive Ion Etching)에 의한 후면 공동(298)의 후면 에칭 이후의 개략적인 단면에서의 최종 MEMS 마이크로폰을 도시한다. 하부 에칭 중지층(203)은 DRIE 프로세스에 대한 에칭 중지부로서 기능할 수 있으며, 다른 전용의 산화물 에칭 프로세스에 의한 DRIE 프로세스 이후에 제거될 수 있다.
일부 양상들이 디바이스의 문맥으로 기술되었지만, 이러한 양상들은 대응하는 방법의 설명 또한 나타내는 것임이 명백하며, 여기서 블록 또는 디바이스는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 대응한다. 유사하게, 방법 단계의 문맥으로 기술된 양상들은 대응하는 블록 또는 항목 또는 대응하는 디바이스의 특징의 설명을 나타낸다.
전술한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들에 대한 예시이다. 당업자라면, 본 명세서에서 기술된 배열들 및 세부사항들의 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허 청구항들의 범위에 의해서만 제한되며, 본 명세서에서의 실시예들의 기술 및 설명에 의해 제공된 특정한 세부사항들에 의해 제한되지 않는다.
각각의 청구항은 다시 하나의 청구항만을 인용하지만, 개시내용은 청구항들의 임의의 가능한 조합 또한 커버한다.

Claims (33)

  1. MEMS 마이크로폰으로서,
    제1 다이어프램 요소와,
    제1 카운터 전극 요소와,
    상기 제1 다이어프램 요소와 상기 카운터 전극 요소 사이의 저압 영역 - 상기 저압 영역은 주위 압력보다 낮은 압력을 가짐 - 을 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저압 영역에서의 압력은 실질적으로 진공인
    MEMS 마이크로폰.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저압 영역에서의 압력은 상기 주위 압력의 약 50%보다 낮은
    MEMS 마이크로폰.

  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로폰은 상기 제 1 카운터 전극 요소의 상기 제1 다이어프램 요소가 놓인 측면의 반대 측면 상에 배치된 제2 다이어프램 요소를 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소는 상기 제2 다이어프램 요소에 전기적으로 연결되는
    MEMS 마이크로폰.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소는 상기 제2 다이어프램 요소로부터 전기적으로 절연되는
    MEMS 마이크로폰.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로폰은 상기 제1 카운터 전극 요소로부터 이격된 제2 카운터 전극 요소를 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 카운터 전극 요소는 상기 제2 카운터 전극 요소로부터 전기적으로 절연되는
    MEMS 마이크로폰.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소는 적어도 약 1 nm/Pa의 다이어프램 컴플라이언스를 갖는 MEMS 마이크로폰.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소는 적어도 약 5 nm/Pa의 다이어프램 컴플라이언스를 갖는
    MEMS 마이크로폰.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 저압 영역은 밀봉된 공동 내에 있는
    MEMS 마이크로폰.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소와 지지 구조 사이에 연결된 힌지 요소를 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 힌지 요소는 상기 저압 영역을 측방향으로 한정하도록 구성된 벽 요소(wall element)를 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 벽 요소는 상기 지지 구조가 상기 저압 영역을 한정하는데 참여하도록 상기 지지 구조에 연결되는
    MEMS 마이크로폰.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제 1 카운터 전극 요소는 상기 저압 영역으로부터 상기 지지 구조로 연장되는 상기 힌지 요소에서의 적어도 하나의 갭을 통해 상기 힌지 요소와는 독립적으로 상기 지지 구조에 연결되는
    MEMS 마이크로폰.
  16. MEMS 마이크로폰으로서,
    제1 다이어프램 요소와,
    상기 제1 다이어프램 요소로부터 이격된 제2 다이어프램 요소와,
    상기 제1 다이어프램 요소와 상기 제2 다이어프램 요소 사이에 배치된 저압 영역 - 상기 저압 영역은 주위 압력보다 낮은 압력을 가짐 - 과,
    상기 저압 영역 내에 배치된 제1 카운터 전극 요소를 포함하는
    MEMS 마이크로폰.

  17. 제16항에 있어서,
    상기 저압 영역에서의 압력은 실질적으로 진공인
    MEMS 마이크로폰.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 저압 영역에서의 압력은 상기 주위 압력의 50%보다 낮은
    MEMS 마이크로폰.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 저압 영역은 밀봉된 공동 내에 있는
    MEMS 마이크로폰.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제1 카운터 전극 요소로부터 전기적으로 절연된 제2 카운터 전극 요소를 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소와 상기 제2 다이어프램 요소 사이에 연결된 하나 이상의 필러들(pillars)을 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 필러들은 전기적으로 절연되는
    MEMS 마이크로폰.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 하나 이상의 필러들은 전기적으로 도전성인
    MEMS 마이크로폰.
  24. 제21항에 있어서,
    적어도 2개의 필러들이 각각 5 ㎛와 20 ㎛ 사이에서 이격되는
    MEMS 마이크로폰.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 제1 다이어프램 요소의 강성(stiffness) 또는 상기 제2 다이어프램 요소의 강성보다 약한 강성을 갖는 제3 다이어프램 요소를 더 포함하는
    MEMS 마이크로폰.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제3 다이어프램 요소는 지지 구조와 상기 제1 다이어프램 요소 및 상기 제2 다이어프램 요소 중 적어도 하나 사이에 연결되는
    MEMS 마이크로폰.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 카운터 전극 요소는 상기 제3 다이어프램 요소와는 독립적으로 상기 지지 구조에서 지지되는
    MEMS 마이크로폰.
  28. MEMS 마이크로폰을 제조하는 방법으로서,
    제1 다이어프램 요소와 카운터 전극 요소 사이에 저압 영역을 생성하는 단계와,
    상기 저압 영역 내로 물질이 진입하는 것을 내구성 있게 방지하여, 특정 저압을 평균적으로 내구성 있게 유지하는 단계를 포함하는
    MEMS 마이크로폰 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 저압 영역을 생성하는 단계는, 상기 제1 다이어프램 요소와 상기 카운터 전극 요소 사이에 공동을 형성하는 것을 포함하는
    MEMS 마이크로폰 제조 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 물질이 진입하는 것을 내구성 있게 방지하는 단계는, 상기 제1 다이어프램 요소와 상기 카운터 전극 요소 사이에 저압 영역을 얻기 위해 저압 대기 하에서 상기 공동을 폐쇄하는 것을 포함하는
    MEMS 마이크로폰 제조 방법.

  31. 제28항에 있어서,
    상기 저압 영역은 표준 대기압의 70%보다 낮은 압력에 놓인
    MEMS 마이크로폰 제조 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 물질이 진입하는 것을 내구성 있게 방지하는 단계는,
    상기 MEMS 마이크로폰의 표면을 산화물의 논-컨포멀 증착(non-conformal deposition)으로 코팅하는 것,
    상기 MEMS 마이크로폰의 표면에서 BPSG(borophosphosilicate)를 증착시키고, 이후에 상기 저압 대기 하에서 리플로우하는 것, 및
    포일(foil)을 적층하는 것(laminating) 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 저압 영역을 생성하는 단계 이전에,
    카운터 전극 재료의 층 상에 희생 재료를 증착하고,
    상기 희생 재료 상에 다이어프램 재료를 증착하고,
    상기 희생 재료에 액세스하기 위해 상기 다이어프램 재료를 구성하고,
    상기 희생 재료를 제거하는 것을 더 포함하고,
    상기 저압 영역을 생성하는 단계는, 상기 희생 재료 제거 이전에 상기 희생 재료에 의해 이전에 점유된 공간으로부터 공기, 가스 및 유체 중 적어도 하나를 추출하는 것을 포함하는 방법.
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