KR20190014131A - 간극 제어 구조를 구비한 음향 변환기 및 음향 변환기를 제조하는 방법 - Google Patents

간극 제어 구조를 구비한 음향 변환기 및 음향 변환기를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

바람직한 실시예의 변환기는, 변환기 및 복수의 인접하는 테이퍼진 캔틸레버 빔들을 포함한다. 각 빔은 빔 베이스와, 빔 팁과, 빔 베이스 및 빔 팁 사이에 배치되는 빔 바디를 정의한다. 빔들은 각 빔 팁이 공통 영역을 향하여 연장되도록 배열된다. 각 빔은 빔 베이스를 따라 기판에 접합되고, 빔 바디를 따라 기판으로부터 벗어난다. 변환기를 제조하는 바람직한 방법은, 블록에서 기판상으로 교번적인 압전층 및 전극층을 증착시키는 단계와, 블록에서 캔틸레버 구조를 정의하기 위해 증착된 층들을 처리하는 단계와, 블록에서 금속 트레이스들을 증착시키는 단계와, 블록에서 기판으로부터 캔틸레버 빔들을 해제시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

간극 제어 구조를 구비한 음향 변환기 및 음향 변환기를 제조하는 방법{ACOUSTIC TRANSDUCER WITH GAP-CONTROLLING GEOMETRY AND METHOD OF MANUFACTURING AN ACOUSTIC TRANSDUCER}
본 출원은 2011년 3월 31일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/470,384호 "간극 제어 구조를 구비한 음향 센서 및 음향 센서를 제조하는 방법(Acoustic Sensor with Gap-Controlling Geometry and Method of Manufacturing an Acoustic Sensor)"의 우선권을 주장하며, 그 전부가 여기에 참조로 포함된다.
음향 변환기 기술의 현재 동향은 보다 작은 마이크로폰을 향하고 있다. 현재, 대부분의 응용에서는 얇은 전하 운반막(charge-carrying membrane)을 기반으로 하는 일렉트릿(electret) 마이크로폰이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 마이크로폰은 고온에 노출된 후에 열화되는 문제를 갖는다. 용량성(capacitive) MEMS 마이크로폰은, 솔더 리플로우 과정에서 경험하는 고온에 견딜 수 있고, 이에 따라 제조 비용을 절감할 수 있기 때문에, 인기를 얻고 있다. 압전 MEMS 마이크로폰은, 30년 이상 연구되어 왔고, 일렉트릿 마이크로폰 및 MEMS 용량성 마이크로폰의 장점들을 비용 효율적 방식으로 잠재적으로 조합할 수 있다. 불행하게도, 전통적으로 압전 MEMS 마이크로폰은 부분적으로 박막 내의 잔류 응력에 의하여 초래되는 다이어프램 장력으로 인한 높은 잡음 플로어(noise floor)에 따른 문제를 갖는다. 예를 들면, 다이어프램 마이크로폰은 모든 에지에서 제한을 받아 높은 다이어프램 장력이 초래되어 민감도를 저하시킨다. 또한, 직사각형 캔틸레버 빔 마이크로폰과 같은 종래의 캔틸레버 디자인은 주변 기판으로부터 실질적으로 해제되어 있음에도 불구하고 잔류 응력의 영향에 따른 문제를 가지며, 대신, 작은 잔류 응력량은 캔틸레버를 기판 평면으로부터 멀어지도록 상측 또는 하측으로 구부러지게 한다. 이러한 구부러짐은 캔틸레버 둘레의 간극을 증가시켜, 음향 저항을 감소시키고, 저주파 민감도의 바람직하지 않은 저하를 야기한다.
그러므로, 압전 MEMS 음향 변환기 분야에서 잔류 응력에도 불구하고 저주파 민감도를 갖는 새롭고 유용한 음향 변환기를 생성할 것이 요구된다.
도 l은 종래 기술의 대표적인 변환기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캔틸레버 빔의 평면에 대한 현미경 사진이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d, 및 도 3e는 각각 본 발명의 바람직한 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5 실시예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 변환기의 일부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변환기를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 바람직한 실시예의 방법의 일 변형예에 따라 제조된 변환기의 일례를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 아래의 설명은 본 발명을 이 바람직한 실시예들에 한정하고자 하는 것이 아니며, 오히려 MEMS 음향 변환기의 통상의 기술자가 본 발명을 실시 및 사용할 수 있게 하고자 하는 것이다.
음향 변환기
도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예의 변환기(100)는 기판(160)과, 간극 제어 배열로 배열된 다수의 캔틸레버 빔들(120)을 포함할 수 있고, 각 빔(120)은 간극 제어 구조(130)를 포함한다. 바람직한 변환기(100)의 구조 및 배열은 간극 저항이 제어될 수 있도록 하여, 결국 마이크로폰의 응답이 롤 오프 또는 약화되는 주파수 미만의 주파수의 제어를 가능하게 한다. 변환기(100)는 바람직하게는 압전 변환기이나, 대안적으로 용량성 변환기, 광학 변환기(예를 들면, 광학 음향 센서), 또는 응력이 인가된 캔틸레버에 따른 문제를 갖고 있는 기타 다른 적합한 변환기일 수 있다. 바람직한 변환기(100)는 바람직하게는 음향 변환기이고, 보다 바람직하게는 음향 센서(즉, 마이크로폰)이나, 대안적으로 전압 또는 전류로 구동되고, 스피커로서 사용될 수 있다. 바람직한 변환기(100)는 바람직하게는 휴대 전화기와 같은 가전제품(consumer electronics)에 포함되지만, 의료 용도(예를 들면 보청기), 광음향 검출, 초음파 응용, 또는 센서 또는 스피커와 같은 기타 다른 변환기-기반 응용에 사용될 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 캔틸레버 배열은 간극 크기를 인접하는 캔틸레버 빔들(120) 사이의 분리 거리로 제한하는 기능을 한다. 이는, 캔틸레버 빔들 내의 잔류 응력이, 때때로 기판 및 캔틸레버 빔들 사이의 거리만큼, 빔들을 분리 후 심하게 휘어지게 하는 종래 디자인과 대조적이다. 바람직한 실시예들의 변환기(100)에서, 기판(160)상의 다수의 캔틸레버 빔들(120) 사이의 근접성은 빔들(120) 사이의 잔류 응력들을 유사하게 만든다. 인접하는 캔틸레버 빔들 사이의 유사한 응력 프로파일들은, 결국 간극 크기를 인접하는 캔틸레버 빔들(120) 사이의 분리 거리로 제한하는 유사한 캔틸레버 곡률을 야기한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 바람직한 변환기(100)는 기판(160)을 포함할 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 기판(160)은 동작 중 변환기(100)의 캔틸레버 빔(120)을 지지할 뿐만 아니라 제조 공정 중 변환기(100)를 지지하는 기능을 한다. 바람직한 변환기(100)의 일 변형예에서, 기판(160)은, 적어도 부분적으로 실리콘 또는 기타 적합한 실리콘계 화합물 또는 유도체(예를 들면 Si 웨이퍼, SOI, polySi on SiO2/Si, 등)로 구성된다. 또는, 기판(160)은 적어도 부분적으로 유리섬유, 유리, 또는 기타 적합한 재료들의 조합으로 구성될 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 다른 변형예에서, 기판(160)이 제조 공정 중 캔틸레버 빔들(120)의 활성 영역으로부터 실질적으로 제거되어, 캔틸레버 빔들(120)이 최대화된 이동(travel) 및 응답을 갖는다.
도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 바람직한 변환기(100)는 적어도 하나의 캔틸레버 빔(120)을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 바람직한 변환기(100)는, 예를 들면 도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같은 적합한 구조로 배열된 복수의 캔틸레버 빔들(120) 또는 캔틸레버 빔들(120)의 배열을 포함할 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 캔틸레버 빔들(120)은 음압을 전자 신호로 변환하는 기능을 한다. 캔틸레버 빔들(120)은 바람직하게는 보다 많은 복수의 캔틸레버 빔들(120) 또는 캔틸레버 빔들(120)의 배열 각각의 사이의 결과적인 간극들을 최소화하는 간극 제어 구조(130)를 포함한다. 캔틸레버 빔(120)의 간극 제어 구조(130)는 바람직하게는 팁(132)과, 베이스(134)를 포함한다. 바람직한 캔틸레버 빔(120)에서, 팁(132)은 베이스(134)에 비하여 실질적으로 작아 캔틸레버 빔(120)이 베이스(134)로부터 팁(132)까지 점점 가늘어진다. 바람직하게는 기판(160)에 실질적으로 결합된 베이스(134)를 제외하고, 캔틸레버 빔(120)의 전체는 바람직하게는 실질적으로 주변 기판(160)으로부터 분리되어 전달된 응력을 경감하기 위해 팽창하거나 수축할 수 있다.
도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 캔틸레버 빔(120)이 바람직하게는 실질적으로 뾰족한 간극 제어 구조(130)를 가짐으로써, 베이스(134)는 캔틸레버 빔(120)의 이동(travel) 방향에 수직을 이루는 방향을 따라 팁(132)에 비하여 실질적으로 보다 폭이 넓어진다. 예를 들면, 바람직한 변환기(100)의 일 변형예에서, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 캔틸레버 빔(120)은 실질적으로 삼각형 구조를 가질 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 다른 변형예에서, 캔틸레버 빔(120)은, 도 3d에 도시된 바와 같이, 실질적으로 구부러진 베이스(134)를 구비한 부채꼴 또는 쐐기와 유사한 구조(130)를 가질 수 있다. 바람직한 변환기(100)의 다른 변형예에서, 캔틸레버 빔(120)은, 도 3e에 도시된 바와 같이, 정사각형 구조를 가질 수 있다. 바람직한 실시예의 변환기(100)의 다른 변형예들에서, 캔틸레버 빔(120)은 팁(132)이, 캔틸레버 빔(120)의 이동 방향에 수직인 방향을 따라, 베이스(134)에 비하여 너비가 좁은 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다. 적합한 대안적인 구조들은 다각형 형상 또는 부채꼴 중 임의의 형태를 포함할 수 있고, 배열을 갖는 각 캔틸레버 빔(120)은 실질적으로 동일하거나 실질적으로 동일하지 않은 구조들을 가질 수 있다. 캔틸레버 빔(120)의 길이는 바람직하게는 마이크로폰의 원하는 공진 주파수에 맞게 조절되지만, 대안적으로 보다 길거나 보다 짧을 수 있다. 베이스(134)는 바람직하게는 길이에 비하여 두 배 넓지만, 대안적으로 변환기(100)의 원하는 외측 둘레(102) 구조가 달성되도록 하는 임의의 폭을 가질 수 있다.
캔틸레버 빔(120)은 바람직하게는 교번적인 압전층 및 전극층(142)으로 이루어진다. 압전층들(144)은 인가된 압력을 전압으로 변환시키는 기능을 할 수 있고, 전극층들(142)은 발생된 전압을 JFET, 전하 증폭기, 또는 집적 회로와 같은 증폭기로 전달하는 기능을 할 수 있다. 압전층들(144)은 그 CMOS 호환성으로 인하여 바람직하게는 질화알루미늄(AlN)을 포함하지만, 대안적으로 티탄산 지르콘산 납(PZT: lead zirconate titanate), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF: polyvinylidene fluoride), 니오브산 마그네슘 납-티탄산 납(PMN-PT: lead magnesium niobate-lead titanate), 또는 기타 다른 적합한 압전 재료를 포함할 수 있다. 전극층들(142)은 바람직하게는 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 또는 백금(Pt)을 포함하지만, 대안적으로 기타 다른 적합한 전극 재료를 포함할 수 있다. 캔틸레버 빔(120)은 바람직하게는 세 개의 전극층들(142) 사이에 배치된 두 개의 압전층들(144)을 포함한다. 그러나, 캔틸레버 빔(120)은 세 개의 전극층들(142) 사이에 배치된 세 개의 압전층들(144)을 포함할 수 있고, 총 세 개의 층들(제1 전극층(142), 제1 압전층(144), 및 상부 전극층(142))만을 포함하거나, 전극층들(142) 및 압전층들(144)의 임의의 적합한 순열로 임의의 개수의 층들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 캔틸레버 빔(120)은 적어도 하나의 압전층(144) 및 하나의 전극층(142)을 포함한다. 일 예의 구성에서는, 잡음 플로어(noise floor)를 최소화하기 위해, 전극층들(142)이 바람직하게는 실질적으로 삼각형인 캔틸레버 빔(120) 영역의 3분의 2를 실질적으로 덮지만, 대안적으로 캔틸레버 빔(120) 구조에 따라 캔틸레버 빔(120)을 보다 많이 또는 보다 적게 덮을 수 있다. 또한, 비록 각 전극층(142)이 바람직하게는 전극층(142) 마다 단지 하나의 독립 전극을 정의하지만, 전극층(142) 마다 다수의 독립 전극들을 정의하도록 전극층들(142)이 패터닝될 수 있다. 전극층들(142)은 바람직하게는 금속 트레이스들에 의하여 직렬로 함께 결합되지만, 병렬로 결합되거나, 직렬 및 병렬 모두로 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 바람직한 변환기(100)는 실질적으로 동일한 캔틸레버 빔들(120)이 배열되도록 구성되어, 음향 변환기(100)의 중앙에 실질적으로 가까운 공통 영역에서 팁들(132)이 만나게 된다. 바람직하게는, 각 캔틸레버 빔(120)의 자유변들(136) 각각은 바람직하게는 인접하는 캔틸레버 빔(120)의 자유변(136)에 각각 평행하다. 캔틸레버 빔들(120)의 각 베이스(134)는 바람직하게는 외측 둘레(102)를 정다각형 및/또는 원의 형상으로 형성한다. 변환기(100)의 외측 둘레(102)는 바람직하게는 변환기(100)가 바람직하게는 네 개의 캔틸레버 빔들(120)(도 3a에 도시됨)을 포함하는 정사각형이지만, 대안적으로 외측 둘레(102)는 음향 변환기가 임의의 적합한 개수의 쐐기와 유사한 캔틸레버 빔들(120)(도 3d에 도시됨)을 포함하는 원형, 변환기(100)가 바람직하게는 세 개의 캔틸레버 빔들(120)(도 3b에 도시됨)을 포함하는 삼각형, 변환기(100)가 바람직하게는 여덟 개의 캔틸레버 빔들(120)을 포함하는 팔각형, 변환기(100)가 바람직하게는 여섯 개의 캔틸레버 빔들(120)(도 3c에 도시됨)을 포함하는 육각형, 또는 임의의 필요한 개수의 캔틸레버 빔들(120)을 포함하는 임의의 기하학적 형상이 될 수 있다.
바람직한 변환기에서, 제조 중 캔틸레버 빔들(120) 사이의 간극들은 대략 1 마이크론 미만이지만, 약간 클 수 있다. 제조 후, 캔틸레버 빔들(120) 사이의 간극들은 바람직하게는 1 마이크론 미만으로 유지되지만, 잔류 응력에 의한 변형으로 인하여 상당히 커질 수 있다. 캔틸레버 빔들(120)은 바람직하게는 하나 이상의 전극층들(142)을 통하여 전기적으로 결합되지만, 대안적으로 전도성 트레이스들(146)에 의하여 전기적으로 결합될 수 있거나, 서로 전기적으로 절연될 수 있거나, 캔틸레버 빔들(120) 중 일부가 전기적으로 결합되는 한편 다른 일부는 전기적으로 절연되는 조합이 될 수 있다. 캔틸레버 빔들(120)은 직렬로 또는 병렬로 결합될 수 있지만, 바람직하게는 캔틸레버 빔들(120) 중 일부가 직렬로 결합되고, 다른 일부는 병렬로 결합되는 두 개의 극단적인 것들의 조합으로 결합된다.
음향 변환기를 제조하는 방법
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 변환기를 제조하는 바람직한 방법은, S100 블록에서 기판상으로 압전층 및 전극층을 교번적으로 증착시키는 단계(S100)와, S200 블록에서 캔틸레버 구조를 정의하기 위해 증착된 층들을 처리하는 단계와, S300 블록에서 금속 트레이스들을 증착시키는 단계와, S400 블록에서 기판(100)으로부터 캔틸레버 빔들(120)을 해제시키는 단계를 포함할 수 있다. 변환기(100)가 바람직하게는 표준 CMOS 공정을 사용하여 제작됨에 따라, 관련 전자장치들(예를 들면 JFET, 전하 증폭기, 집적 회로)이 동일한 CMOS 공정을 사용하여 변환기(100)와 동일한 기판상에 제작될 수 있다.
바람직한 방법의 S100 블록에서는 기판 상에 교번적인 압전층 및 전극층을 증착시킨다. S100 블록에서는 바람직하게는 캔틸레버의 층들을 생성하게 된다. 압전층들은 그 CMOS 호환성으로 인하여 바람직하게는 질화알루미늄(AlN)을 포함하지만, 대안적으로 티탄산 지르콘산 납(PZT), 산화 아연(ZnO), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 니오브산 마그네슘 납-티탄산 납(PMN-PT), 또는 기타 다른 적합한 압전 재료를 포함할 수 있다. 전극층들은 바람직하게는 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 또는 백금(Pt)을 포함하지만, 대안적으로 임의의 다른 적합한 전극 재료를 포함할 수 있다. 캔틸레버는 바람직하게는 표면 미세 기계 가공을 사용하여 제조되지만, 대안적으로 벌크(bulk) 미세 기계 가공에 의하여 제조될 수 있다. 각 층은 바람직하게는 이전 층 상에 증착된 후(제1 층은 SiO2 층 상에 증착됨), 다음 층이 증착되기 전에 원하는 패턴으로 식각된다. 각 층은 바람직하게는 박막 증착에 의하여 증착되지만, 대안적으로 반응성 물리적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 화학적 기상 증착, 에피택시, 또는 기타 적합한 공정에 의하여 증착될 수 있다. 각 층은 바람직하게는 먼저 포토리소그래피(photolithography)에 의하여 패터닝된 후, 포토리소그래피에 의하여 노출된 영역 내의 재료를 제거하기 위해 미세 기계 가공된다. 미세 기계 가공 방법은 습식 식각(화학적 식각) 및 건식 식각(예를 들면, 반응성 이온 식각 또는 이온 밀링(ion milling)을 통함)을 포함할 수 있으나, 임의의 다른 적합한 식각 방법을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전극층들이 (도 6에 도시된 바와 같이) 교번적인 층들이 엇갈리도록(staggered) 패터닝되어, 하나 걸러 하나의 전극층이 S300에서 증착된 금속 트레이스들에 의해 병렬로 결합될 수 있다. 그러나, 전극층 및 압전층은 임의의 적합한 패턴으로 패터닝될 수 있다.
바람직한 방법의 S200 블록에서는 캔틸레버 구조를 정의하기 위해 증착된 층들을 처리한다. S200 블록에서는 바람직하게는 캔틸레버의 간극 제어 구조를 정의하는 간극들을 생성한다. 증착된 층들은 바람직하게는 증착된 층들을 통하여 (예를 들면 반응성 이온 식각, 습식 식각, 이온 밀링, 또는 임의의 다른 식각 방법으로) 간극들을 식각하는 것에 의하여 처리되지만, 대안적으로 캔틸레버 빔들(120)을 정의하고 캔틸레버 빔들(120)을 그 이웃들로부터 해제시키기 위하여 다르게 처리될 수 있다. 간극 두께들은 바람직하게는 1 마이크론 이하이나, 대안적으로 약간 클 수 있다. 또한, 간극들은 바람직하게는 실질적으로 삼각형인 캔틸레버 빔들을 형성하기 위해 서로 이등분되지만, 대안적으로 원하는 간극 제어 구조를 형성하기 위해 단부들에서 교차할 수 있다. 이 단계는 바람직하게는 적어도 두 개의 이등분 간극들을 생성하여 적어도 네 개의 삼각형 캔틸레버 빔들이 형성되지만, 대안적으로 세 개, 네 개, 또는 임의의 개수의 간극들을 생성하여 임의의 개수의 캔틸레버 빔들을 형성할 수 있다.
바람직한 방법의 S300 블록에서는 금속 트레이스들을 증착시킨다. S300 블록에서는 바람직하게는 음향 변환기를 하나 이상의 증폭기에 전기적으로 결합시킨다. S300 블록은 S200 블록 이전, 이후, 또는 동시에 수행할 수 있다. 금속 트레이스들은 바람직하게는 층으로서 증착된 후 패터닝되지만, 대안적으로 미리 패터닝되어 음향 변환기 상으로 증착될 수 있다. S300 블곡에서는 바람직하게는 각 전극 또는 전극층(142)에 대하여 금속 트레이스를 제공하지만, 전극들이 함께 병렬로 결합되는 복수의 전극들에 대하여 단일의 금속 트레이스를 제공할 수 있다. 금속 트레이스들은 바람직하게는 중간 압전층 및/또는 전극층을 통하여 관련 전극층(142)으로 연장될 수 있으나, 대안적으로 임의의 적합한 방식으로 변환기 전극들에 결합될 수 있다.
바람직한 방법의 S400 블록에서는 기판으로부터 캔틸레버 빔들을 해제시킨다. S400 블록에서는 바람직하게는 잔류 응력을 실질적으로 경감하기 위해 필요에 따라 캔틸레버 빔들을 팽창, 수축, 또는 구부러지게 한다. 캔틸레버 빔들은 바람직하게는 캔틸레버 빔들의 아래로부터 기판을 제거하는 것에 의하여 기판으로부터 해제된다. 이것은 바람직하게는 심도 반응성 이온 식각(DRIE: deep reactive ion etching)을 사용하여 성취되지만, 습식 식각, 방전 가공(EDM: electric discharge machining), 미세 기계 가공 공정, 또는 캔틸레버 빔들을 기판으로부터 해제시키는 임의의 다른 처리 방법을 사용하여 성취될 수 있다. 또는, 캔틸레버 빔들은 기판으로부터 전체적으로 해제되고 이후에 동일한 기판 또는 다른 기판에 재부착될 수 있다. 캔틸레버 빔들은 빔 층 증착 이전에(즉, S100 블록 이전에) 기판 및 캔틸레버 빔 층들 사이에 희생층을 제공하고, 이후에 S500 블록에서 희생층을 식각하여 제거하는 것에 의하여 전체적으로 해제될 수 있다. 희생층은 바람직하게는 산화물이지만, 선택적으로 제거될 수 있는 압전층 및 전극층 재료들과 유사하지 않은 임의의 적합한 재료일 수 있다. 희생층은 바람직하게는 수용액 상태의 플루오르화 수소(HF)와 같은 부식액(etchant), 플라즈마 식각, 또는 임의의 다른 적합한 식각 공정에 의하여 식각되어 제거된다. 캔틸레버 빔들은 바람직하게는 캔틸레버 빔들의 베이스들을 따라 정전 클램핑 또는 임의의 적합한 기법에 의하여 기판에 재부착된다.
바람직한 방법은 S500 블록에서 기판 상에 산화물층을 성장시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. S500 블록은 바람직하게는 S100 블록 이전에 수행되고, 바람직하게는 S400에서 캔틸레버 빔의 해제량을 제어한다. S400 블록의 일 변형예에서, 기판 제거 공정은 바람직하게는 산화물층에서 종료한다. S500 블록의 제2 변형예에서, 산화물층은 바람직하게는 희생층으로서의 기능을 한다. 적합한 산화물은 바람직하게는 변환기의 원하는 활성 영역에 걸쳐 성장하지만, 대안적으로 변환기의 원하는 해제 영역 내에서, 기판 전체에 걸쳐, 또는 임의의 적합한 영역 내에서 성장할 수 있다. 산화물은 바람직하게는 기판으로부터 성장한 산화물이고, 보다 바람직하게는 이산화 실리콘(SiO2)이지만, 기판 상에서 성장 또는 증착된 임의의 적합한 산화물이 될 수 있다. 산화물은 바람직하게는 일반적인 열산화(thermal oxidization)를 사용하여 성장하지만, 대안적으로 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition)(PECVD 산화물 증착), 화학적 기상 증착(CVD 산화물 증착), 물리적 기상 증착(PVD 산화물 증착), 또는 임의의 다른 적합한 산화 또는 산화물 증착 공정을 사용하여 성장할 수 있다. 바람직한 방법은 식각 또는 미세 기계 가공에 의하여 변환기로부터 산화물 층을 제거하는 S500A 블록에서 산화물 층을 제거하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
바람직한 방법은 S600 블록에서 시드층(seed layer)을 증착시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 시드층은 바람직하게는 캔틸레버 빔들을 형성하기 위한 활성층으로서의 기능을 한다. S600블록은 바람직하게는 S100 블록 이전에 수행된다. 보다 바람직하게는, S600 블록은, 시드층이 캔틸레버 빔의 압전 또는 전극층과 산화물층 사이에 배열되도록 S500 블록 이후에 수행된다. 시드층은 바람직하게는 질화알루미늄(AlN)이지만, 임의의 적합한 압전, 전극, 또는 시드 재료일 수 있다. 시드층은 바람직하게는 물리적 기상 증착(PVD) 또는 임의의 다른 적합한 스퍼터링 기법을 사용하여 스퍼터링 되지만, 산화물층 또는 기판에 걸쳐 다르게 증착될 수 있다.
방법 및 변환기의 예
도 6a 내지 도 6h에 도시된 바와 같이, 바람직한 방법의 일 구현예는 S500 블록에서 기판상에 열산화물(SiO2)을 성장시키는 단계와, S600 블록에서 질화알루미늄(AlN) 시드층을 증착시키는 단계(도 6a)와, S100 블록에서 제1 전극층(몰리브덴)을 증착시키고 패터닝하는 단계(도 6b)와, 제1 압전층(AlN)을 증착시키고 패터닝하는 단계(도 6c)와, 제2 전극층(mobidum)을 증착시키고 패터닝하는 단계(도 6c)와, 제2 압전층(AlN)을 증착시키고 패터닝하는 단계(도 6d)와, 상부 전극층(몰리브덴)을 증착시키고 패터닝하는 단계(도 6d)를 포함한다. 캐비티들이 바람직하게는 압전층들(AlN 비아(vias))을 통하여 전극층들 및 S300 블록에서 증착된 금속 트레이스들로 식각될 수 있다(도 6e 및 6f). 일 변형예에서, 두 개의 금속 트레이스들이 증착되며, 제1 캐비티/금속 트레이스가 상부 및 하부 전극으로 연장되어 결합되며, 제2 캐비티/금속 트레이스가 중간 전극으로 연장되어 결합된다. 캔틸레버 빔들이 (식각되거나 미세 기계 가공된) 증착된 층들로부터 정의되며(S200)(도 6e), S400 블록에서 심도 반응성 이온 식각(DRIE)에 의하여 뒤쪽으로부터 기판을 식각하는 것에 의하여 기판으로부터 벗어난다(도 6g). DRIE는 산화물층 상에서 정지하며, 산화물층이 제거되어 기판으로부터 변환기가 해제된다 (S500A)(도 6h).
예시적인 방법의 수행 중, 잔류 응력이 바람직하게는 웨이퍼 곡률 측정(예를 들면, 광학 또는 물리적 측정을 통함)을 사용하여 감시되지만, 대안적으로 응력 측정(예를 들면, 응력 변환기), 비선형 탄성 응력 측정(예를 들면, 초음파 또는 자기(magnetic) 기법, X-선 또는 중성자 회절(neutron diffraction)), 또는 캔틸레버의 곡률 또는 잔류 응력을 측정하는 임의의 다른 방법에 의하여 측정될 수 있다. 그 다음, 증착 파라미터들은 바람직하게는 캔틸레버의 휘어짐 또는 응력을 최소화하기 위해 조절된다.
통상의 기술자는, 후술하는 특허청구범위에 규정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 수정 및 변경이 가능하다는 것을, 이전의 상세한 설명, 도면, 및 특허청구범위로부터 인식할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. MEMS 변환기로서,
    기판; 및
    복수의 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔을 포함하고,
    각각의 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔은 압전층 및 상기 압전층을 사이에 개재시키는 한 쌍의 전극층을 포함하고 또한 각각의 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔은 빔 베이스, 빔 팁, 및 상기 빔 베이스와 상기 빔 팁 사이에 배치되는 빔 바디를 형성하여 각 빔 팁이 공통 영역을 향해 연장하도록 그리고 각 테이퍼 캔틸레버 빔이 상기 빔 베이스를 따라 상기 기판에 접합되고 상기 빔 바디를 따라 상기 기판으로부터 벗어나도록 배열되고,
    상기 공통 영역은 가상의 점이고, 빔 팁들이 상기 가상의 점에 실질적으로 수렴하는 변환기.
  2. MEMS 변환기로서,
    기판에서 중앙의 공간(void) 영역을 형성하는 에지를 갖는, 기판;
    각각의 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔이 적어도 하나의 강성(stiff) 압전층을 포함하며, 상기 기판의 에지로부터 상기 중앙의 공간 위로 연장하는, 복수의 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔;
    상기 적어도 하나의 강성 압전층의 상부 표면상에 지지된 제1 전극층; 및
    상기 적어도 하나의 강성 압전층의 하부 표면상에 지지된 제2 전극층을 포함하고,
    각각의 상기 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔은, 빔 팁 및 상기 기판의 에지에 접합되는 빔 베이스를 구비한 빔 바디를 가지며, 빔 팁들은 상기 변환기의 중심에 실질적으로 가까운 공통의 점에서 모이되 접촉하지 않고, 테이퍼 캔틸레버 빔 바디들 사이의 간극들이 간극-제어 구조를 형성하되 간극들은 적어도 하나의 압전층, 제1 전극층 및 제2 전극층을 통해 그리고 인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔의 길이를 따라 있으며 폭이 실질적으로 동일한, 변환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔의 길이를 따라 형성된 간극은 l 마이크론 이하인 변환기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빔 베이스는 실질적으로 연속적인 마이크로폰 둘레를 형성하는 변환기.
  5. 제4항에 있어서,
    각 테이퍼 캔틸레버 빔은 삼각형을 포함하여, 상기 마이크로폰 둘레는 실질적으로 다각형 둘레를 포함하는 변환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 변환기는 두 개의 대향하는 사다리꼴 빔 및 두 개의 대향하는 삼각형 빔을 포함하며, 상기 사다리꼴 빔의 짧은 평행변 및 상기 삼각형 빔의 팁은 공통 중앙 영역으로 수렴하고, 각 사다리꼴 빔의 각각의 각이 진 변은 삼각형 빔의 변에 인접하는 변환기.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 두 개의 테이퍼 캔틸레버 빔이 함께 전기적으로 직렬로 결합되는 변환기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 테이퍼 캔틸레버 빔은 교번하는 압전층 및 전극층을 포함하는 변환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 테이퍼 캔틸레버 빔은 두 개의 압전층 및 세 개의 전극층을 포함하는 변환기.
  10. 제9항에 있어서,
    각 테이퍼 캔틸레버 빔의 상기 전극층은 금속 트레이스에 의하여 전기적으로 직렬로 결합되는 변환기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 압전층은 질화알루미늄을 포함하고, 상기 전극층은 몰리브덴을 포함하는 변환기.
  12. 기판; 및
    복수의 테이퍼 캔틸레버 빔을 포함하고,
    각 테이퍼 캔틸레버 빔은 상기 기판에 고정된 베이스를 형성하고, 각 테이퍼 캔틸레버 빔은 상기 베이스로부터 이동 가능한 팁으로 점점 가늘어지며,
    상기 복수의 테이퍼 캔틸레버 빔은 공통 영역에 수렴하는 이동 가능한 팁 각각과 함께 인접하게 배열됨으로써 베이스들이 실질적으로 연속적인 마이크로폰 둘레를 형성하고,
    각 테이퍼 캔틸레버 빔은 교번하는 압전층 및 전극층을 더 포함하고,
    상기 공통 영역은 가상의 점이고, 테이퍼 캔틸레버 빔들의 이동 가능한 빔 팁들이 상기 가상의 점에 실질적으로 수렴하는 음향 센서.
  13. 기판상에 제1전극층을 증착하는 단계;
    압전층을 증착하는 단계;
    제2전극층을 증착시키는 단계;
    상기 제2전극층을 패터닝(patterning)하는 단계;
    상기 압전층을 패터닝하는 단계;
    복수의 테이퍼 빔을 형성하도록 상기 증착된 층을 처리하는 단계로서, 각각의 테이퍼 빔은 압전층 및 상기 압전층을 사이에 개재시키는 제1전극층 및 제2전극층을 포함하고 또한 각각의 테이퍼 빔은 빔 베이스, 빔 팁, 및 상기 빔 베이스와 상기 빔 팁 사이에 배치되는 빔 바디를 형성하여 빔 팁들이 공통 영역을 향해 연장하는, 상기 증착된 층을 처리하는 단계;
    금속 트레이스를 증착시키는 단계;
    상기 금속 트레이스를 패터닝하는 단계; 및
    기판으로부터 상기 테이퍼 빔을 해제시켜 각각의 테이퍼 빔이 상기 빔 베이스를 따라 상기 기판에 접합되고 상기 빔 바디를 따라 상기 기판으로부터 벗어나는 테이퍼 캔틸레버 빔을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 공통 영역은 가상의 점이고, 빔 팁들이 상기 가상의 점에 실질적으로 수렴하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔들은 증착된 층의 두께를 통하여 연장하는 간극을 형성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    인접하는 테이퍼 캔틸레버 빔 사이의 간극의 폭은 1 마이크론 이하인 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 간극은 미세-기계 가공되는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 테이퍼 캔틸레버 빔은 두 개의 교차하는 선형 간극에 의하여 형성되는 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 금속 트레이스를 증착시키는 단계는 각 전극층에 금속 트레이스를 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 기판으로부터 테이퍼 빔을 해제시키는 단계는 상기 테이퍼 캔틸레버 빔에서 떨어져서 상기 기판을 식각하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 기판을 식각하는 단계는 심도 반응성 이온 식각 단계를 포함하는 방법.
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