KR20190137421A

KR20190137421A - 멤스 음향 센서

Info

Publication number: KR20190137421A
Application number: KR1020180063580A
Authority: KR
Inventors: 이상우; 정규동; 송기무; 김용국; 윤근중; 무하마드 알리 샤
Original assignee: 주식회사 신성씨앤티
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2019-12-11
Also published as: KR102082716B1

Abstract

멤스 음향 장치는, 캐비티를 포함하는 기판과, 상기 기판 상에서 지지되고 복수의 관통홀을 포함하는 백 플레이트와, 상기 백 플레이트로부터 상기 기판 쪽으로 돌출되는 적어도 하나의 앵커와, 상기 적어도 하나의 앵커에 의해 지지되고, 외부로부터 상기 캐비티를 통과하여 유입되는 음파에 의해 변형되는 다이아프램을 포함한다. 이 때, 상기 변형되는 다이아프램의 일부도 상기 기판과 접촉하지 않는다.

Description

멤스 음향 센서{MEMS acoustic sensor}

본 발명은 초소형 전자-기계 시스템(MEMS)으로 구현되는 음향 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가요성 다이아프램 및 백 플레이트 사이의 가변 커패시턴스를 감지하는 멤스 음향 센서에 관한 것이다.

일반적으로 콘덴서 마이크로폰과 같은 음향 센서는 외부 진동 음압에 의해 다이아프램(diaphragm)이 떨림으로써 발생되는 정전 용량 내지 커패시턴스(capacitance)의 변화를 전기적 신호로 출력하는 원리를 이용하는 것으로, 마이크, 전화기, 휴대 전화, 비디오 테이프 레코더 등에 부착하여 사용된다. 특히, 최근에는 이러한 음향 센서를 초소형 전자-기계 시스템 (MEMS)으로 구현함으로써 대량 생산 및 소형화가 가능하다는 장점이 아울러 제공된다.

멤스 음향 센서는 음압 (sound pressure)에 반응하여 움직이는 다이아프램과 음향 투과성인 고정된 대향 엘리먼트를 가진다. 상기 다이아프램은 마이크로폰 콘덴서의 이동 전극으로서 기능하고 상기 대향 엘리먼트는 상기 마이크로폰 콘덴서의 고정 전극으로서 기능한다. 또한 상기 멤스 음향 센서는 상기 마이크로폰 콘덴서의 용량 변화를 검출 및 측정하기 위한 수단을 가진다. 상기 다이아프램은 상기 소자의 반도체 기판 상방에 다이아프램 층(layer)으로 구현되고 상기 반도체 기판의 이면에 마련된 음향 공동상에 설치된다. 상기 대향 엘리먼트는 상기 다이아프램에 대향하도록 그보다 상방 또는 하방에 위치하며 다른 층으로 형성되어 있다.

이러한 멤스 음향 센서를 반도체 제조 공정을 사용하여 제조하면 생산비와, 반복성 및 크기감소에 대해 상당한 장점을 갖는다. 상기 공정은 약간의 변형을 가하거나 또는 전혀 변형시키지 않고서도, 통신, 오디오, 초음파 범위, 영상 및 동작 검출 시스템 등의 다양한 어플리케이션에 사용될 수 있다.

일반적으로 초소형화 된 멤스 음향 센서에서 광대역폭 및 고감도를 달성하기 위해서는 작으면서도 감도가 매우 높은 다이아프램 구조체를 형성하는 것이 필요하다. 따라서, 다이아프램의 재질, 두께 및 주름 구조 등을 변경하여 다이아프램의 유연성을 개선할 수 있지만, 이들 멤스 음향 센서의 다이아프램을 진동시키려면 충분한 입력 음압이 주어져야 하고, 상기 멤스 음향 센서가 충분한 SNR과 동시에 높은 감도를 제공하기 위해서는 한계가 있다.

또한, 종래의 멤스 음향 센서들은 반도체 멤스 공정을 이용하여 1mm이하로 소형화할 때에 낮은 주파수 대역에서 성능이 떨어질 수 있다. 특히, 멤스 음향 센서의 일반적인 주파수 응답 특성은 다이아프램의 면적이 넓을 경우에는 낮은 주파수 대역에서 높은 감도를 보이고, 면적이 좁을 경우에는 높은 주파수 대역까지 커버할 수 있지만 감도가 떨어진다는 문제가 있다. 이러한 멤스 음향 센서의 특성이 요구사항을 고려하여 최근 들어 전체적 패키지 구조 또는 다이아프램 자체의 형상을 개선하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

도 1은 종래의 멤스 음향 센서(5)의 동작을 보여주는 모식도이다. 멤스 음향 센서(5)는 멤스 마이크로폰, 리시버, 스피커, 멤스 압력 센서, 멤스 펌프 등 다양하게 활용될 수 있다. 멤스 음향 센서(5)는 음압에 의해 야기되는, 천공된 관통홀들을 갖는 백 플레이트(back plate)(2)와 진동하는 멤브레인(membrane) 내지 다이아프램(diaphragm)(3) 사이에서의 결합 커패시턴스(coupled capacitance)의 변화를 감지한다. 이러한 커패시턴스의 변화는 음압 의해 가변되는 다이아프램(3)과 백 플레이트(2) 사이의 에어 갭(gap)의 변화에 기인한다. 양자는 이와 같은 가변 에어 갭을 갖도록 이격되어 있으며, 가변되는 다이아프램(3)의 양단은 적절한 지지 구조(6a, 6b)에 의해 지지된다. 이러한 지지 구조(6a, 6b)는 기판(1) 상에 형성되고, 기판(1)에는 상기 음파를 유입하기 위한 캐비티(cavity)(4)가 구비된다. 상기 지지 구조로는 점 지지, 클램프 지지, 스프링 지지 등 다양한 방식이 있을 수 있다.

이와 같이 종래의 멤스 음향 센서는, 앵커 등의 지지 구조가 기판 상에 형성되고 음파를 유입하기 위한 캐비티도 기판을 관통하여 형성되는 것이 일반적이다. 따라서, 다이아프램의 가동 면적도 이러한 캐비티의 크기에 따라 제한적이고, 앵커와 같은 지지 구조도 상기 캐비티 이외의 영역에 설치되어야 한다. 이러한 구조는 설계상의 자유도를 제약할 뿐만 아니라, 제한된 센서 크기 또는 제한된 캐비티의 크기 내에서 충분한 센서 감도를 확보하기에는 한계가 있다.

한국특허공개공보 제2007-0104522호 (2007.10.26자 공개)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 멤스 음향 센서의 패키지 구조를 개선하여, 다이아프램과 백 플레이트 사이에서의 결합 커패시턴스를 증가시킴과 동시에, 다이아프램을 지지하는 앵커나 전극을 자유롭게 배치하여 멤스 음향 센서의 설계의 자유도를 향상시키는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 멤스 음향 센서에서 광대역폭 및 고감도를 나타내기 위한 개선된 다이아프램의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 멤스 공정에 의해 생산되는 다이아프램에 발생하는 열응력 내지 열변형 효과를 제거하여 멤스 음향 센서의 감지 안정성을 제고하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 장치는, 캐비티를 포함하는 기판; 상기 기판 상에서 지지되고 복수의 관통홀을 포함하는 백 플레이트; 상기 백 플레이트로부터 상기 기판 쪽으로 돌출되는 적어도 하나의 앵커; 및 상기 적어도 하나의 앵커에 의해 지지되고, 외부로부터 상기 캐비티를 통과하여 유입되는 음파에 의해 변형되는 다이아프램을 포함하되, 상기 변형되는 다이아프램은 상기 기판에 지지되지 않는다.

본 발명에 따른 멤스 음향 센서에 의하면, 기판에 형성된 캐비티의 크기와 상관없이 충분한 유효 가동 면적을 갖는 다이아프램을 확보할 수 있으므로, 제한된 크기의 멤스 음향 센서에서 상대적으로 높은 센서 감도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 멤스 음향 센서에 의하면, 캐비티의 크기나 위치와 무관하게 설계자가 희망하는 위치에 다이아프램을 지지하기 위한 지지 구조를 형성할 수 있기 때문에 설계 자유도가 향상될 뿐만 아니라, 이에 따라 설계자가 희망하는 주파수의 진동 모드를 용이하게 확보할 수 있는 장점도 있다.

본 발명에 따른 멤스 음향 센서에 의하면, 멤스 공정 전후에 다이아프램에 발생하는 열응력 내지 열변형을 제거함으로써 멤스 음향 센서의 감지 오차를 최소화할 수 있다는 장점도 있다.

도 1은 종래의 멤스 음향 센서의 동작을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 멤스 음향 센서를 하방으로부터 바라본 저면도들이다.
도 4는 도 2의 멤스 음향 센서를 패키지화 하여 센서 칩으로 구현한 예를 보여주는 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다이아프램의 필요 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다이아프램의 필요 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다.
도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다이아프램의 필요 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과들이다.
도 8a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 8b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 다이아프램의 필요 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과들이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 제7 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 도시한 평면도이다.
도 11a에서 도 11n은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 멤스 음향 센서(50)를 도시한 평면도이다. 멤스 음향 센서(50)는 캐비티(65)가 형성된 기판(60)과, 상기 기판(60) 상에 배치되고 복수의 관통홀(21a, 21b)을 갖는 백 플레이트(20)와, 상기 백 플레이트(20)에 형성되고 상기 기판을 향하여 돌출되는 지지 구조로서의 앵커(40a, 40b)와, 상기 앵커(40a, 40b) 상에서 지지되고 캐비티를 통해 유입된 음파에 의해 변형되는 다이아프램(10)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 상기 변형되는 다이아프램(10)의 일부도 기판(60)과 접촉하지 않는다는 점에 특징이 있다.

상기 다이아프램(10)은 예를 들어, 사각형 형상의 폴리실리콘 재질로 제조될 수 있고 바람직하게는 정사각형 형상을 가질 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고, 다이아프램(10)은 가요성(?)을 가지는 다른 재질로 구성되거나 원형 또는 정사각형 이외의 다른 다각형으로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 다이아프램(10)과 앵커(40a, 40b) 간의 결합은 다이아프램(10)이 앵커(40a, 40b)에 직접 또는 매개 물질을 통해 다이아프램(10)이 앵커(40a, 40b) 상에 증착됨에 의해 이루어질 수 있다.

도 2에서, 다이아프램(10)은 백 플레이트(20) 상에 형성된 앵커(40a, 40b)에 의해서 지지되고 있고 기판(60)과는 어떠한 접촉도 이루어지지 않는다. 따라서, 앵커(40a, 40b)의 위치는 캐비티(65)의 위치와 크기와 무관하게 백 플레이트(20) 상에 자유롭게 배치될 수 있고, 앵커(40a, 40b)의 내측(앵커 사이의 공간)뿐만 아니라 앵커(40a, 40b)의 외측까지 다이아프램(10)의 유효 가동 면적으로 사용될 수 있다. 이와 같이 확대된 다이아프램(10)의 가동 면적은 다이아프램과 백 플레이트 사이의 커패시턴스를 증가시키고 멤스 음향 센서의 감도 상승으로 이어질 수 있다.

백 플레이트(20)에서 연장되는 측벽(22)은 기판(60) 위에서 지지되고 기판(60)의 중앙부에는 캐비티(65)가 형성되어 있다. 따라서, 외부에서 유입되는 음파는 캐비티(65)를 통과하여 다이아프램(10)에 외력을 작용하므로, 탄성을 갖는 다이아프램(10)은 상기 음파에 의해 변형되면서 진동할 수 있다. 이러한 상기 음파에 의해 다이아프램(10)에 수직 방향(다이아프램이 형성하는 평면에 수직인 방향)으로 변위가 발생하면, 다이아프램(10)과 백 플레이트(20) 사이의 간격 변화로 인해 커패시턴스가 변경된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 커패시턴스는 다이아프램(10)과 백 플레이트(20) 사이에서 측정될 수 있지만, 이에 한하지 않고 다이아프램(10)과 기판(60) 사이에서 측정될 수도 있다. 뿐만 아니라, 결합 커패시턴스의 보다 정확한 감지를 위하여 다이아프램(10)과 백 플레이트(20) 사이 및 다이아프램(10)과 기판(60) 사이 모두에서 측정될 수도 있다. 따라서, 도 2에서는 백 플레이트(20)에 다수의 전극(31a, 31b, 33)이 배치될 수 있으며(top electrode), 기판(60)에도 다수의 전극(32a, 32b)이 배치될 수 있다(bottom electrode).

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 멤스 음향 센서(50)를 하방으로부터(기판(60)의 하면으로부터) 바라본 저면도들이다. 도 3a를 참조하면, 기판(60)의 중앙부에는 캐비티(65)가 형성되어 있어서 멤스 음향 센서(50)의 내부와 연통된다.

도 3b는 도 3a의 멤스 음향 센서(50)에서 기판(60)을 제거한 도면이다. 백 플레이트(20)의 외측에는 기판(60)과 접촉하는 외벽(22)이 형성되고, 백 플레이트(20) 내측의 공간에는 절개선(115)을 가지는 다이아프램(10)이 앵커들(40, 41)에 의해 지지되어 있다. 이러한 앵커들(40, 41)은 다이아프램(10)과 전기적으로 연결된 연통 앵커(40)와 다이아프램(10)을 단순히 고정만 하는 단순 앵커(41)로 구성될 수 있다.

도 3c는 도 2b의 멤스 음향 센서(50')에서 다이아프램(10)을 제거한 도면이다. 백 플레이트(20)에는 백 플레이트(20)로부터 기판(60) 측으로 연장된 복수의 앵커들(40, 41)이 형성되어 있다. 또한, 백 플레이트(20)의 표면에는 복수의 탑 전극들(31a, 31b, 31c, 31d, 31d)이 형성될 수 있다. 도 3c에 도시된 앵커들(40, 41) 및 탑 전극들(31a, 31b, 31c, 31d, 31d)은 일 실시예에 불과하며, 그 개수, 크기, 형상 및 위치는 설계 목표에 따라 다양화될 수 있음은 물론이다.

도 4는 도 2의 멤스 음향 센서(50)를 패키지화 하여 센서 칩(100)으로 구현한 예를 보여주는 도면이다. 센서 칩(100)은 두 개의 섹션으로 나뉘어진다. 하나는 기판(63) 및 지지 플레이트(60) 상에 형성된 사운드 인렛(sound inlet), 즉 캐비티(65)와 다이아프램(10) 사이의 공간을 프론트 챔버(75)라고 하고, 다이아프램(10)의 다른 쪽 측면을 백 챔버(77)라고 한다. 바닥 포트 타입의 센서 칩(100)에서 멤스 음향 센서(50)는 상기 캐비티(65)의 바로 위에 위치한다. 집적 회로(80)는 복수의 전극 패드와 각각 와이어 본드(61, 62)를 통해 연결되고 그 사이의 가변 커패시턴스를 감지하며, 상기 감지된 가변 커패시턴스를 전기 신호로 변환한다. 이러한 전기 신호는 예를 들면 디지털(PDM 변조) 또는 아날로그 신호일 수 있다.

전체적으로 캡 멤버(70)는 지지 플레이트(60)와 함께 조립되면서, 멤스 음향 센서(50), 기판(63), 집적 회로(80) 등을 수용한다. 성능, 안정성 및 직접적 충격으로부터 보호의 관점에서, 이러한 부품들은 멤스 음향 센서 칩(패키지) 내에 수용되는 것이 바람직하다.

한편, 이와 달리 기판(63) 및 지지 플레이트(60) 상에 캐비티(65)를 구비하는 대신에, 캡 멤버(70)에 캐비티를 구비하는 탑 포트 타입의 센서 칩으로도 구현할 수 있다. 이 경우에는 바닥 포트 타입의 센서 칩(100)에 비해 프론트 챔버와 백 챔버의 위치는 서로 반대가 될 것이다.

전술한 바와 같이 멤스 음향 센서(50)에서는, 백 플레이트(20)가 지지 플레이트(60) 상에 배치되고, 상기 백 플레이트(20)에는 상기 지지 플레이트(60)를 향하여 하방으로 연장되면서 돌출되는 앵커(40a, 40b)가 구비되어, 가요성 다이아프램(10)이 상기 앵커(40a, 40b) 상에서 지지되는 구조이다. 이러한 멤스 음향 센서(50)에서도 다이아프램(10)의 구조 및 형상을 다양하게 변형함으로써 설계 목적에 보다 부합하는 결과를 얻을 수 있다. 이하 도 5a에서 도 10까지는 이러한 다양한 구조의 다이아프램을 갖는 멤스 음향 센서의 실시예들에 대해 도시한다.

도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 멤스 음향 센서(150)를 도시한 평면도이다. 멤스 음향 센서(150)는 사각형 다이아프램(110)과 백 플레이트(미도시 됨)로부터 기판(미도시 됨) 방향으로 돌출되는 4개의 앵커들(140a, 140b, 140c, 140d)를 포함한다. 여기서 상기 기판에 형성된 캐비티(65)는 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있으나 사각형 다이아프램(110)의 진동 모드를 고려할 때 사각형 다이아프램(110)과 엇갈리는 마름모 형상을 가지는 것이 바람직하다.

상기 다이아프램(110)의 중앙에는 십자 형상의 절개선(115)가 형성되어 있다. 상기 십자 형상의 절개선(115)의 단부와 상기 직교하는 다이아프램(110)의 가장자리 사이의 영역에서, 상기 다이아프램(110)은 4개의 앵커들(140a, 140b, 140c, 140d)에 의해 지지될 수 있다.

또한, 이러한 절개선(115)을 기준으로 다이아프램(110)은 4개의 서브 영역(110a, 110b, 110c, 110d)으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 절개선(115)은 각각 2개의 인접한 서브 영역을 구분하는 선형 절개선들(115a, 115b, 115c, 115d)을 포함하며, 선형 절개선들(115a, 115b, 115c, 115d)이 만나는 절개선 중앙부(115e)에서는 4개의 서브 영역(110a, 110b, 110c, 110d)이 모두 분리되어 있다.

4개의 서브 영역(110a, 110b, 110c, 110d) 중에서 인접하는 2개의 서브 영역들 간에는 다이아프램(110)의 가장자리(edge)의 중앙 부근에서만 연결되어 있으며, 여기에서 앵커들(140a, 140b, 140c, 140d)에 의해 지지되고 있다. 다이아프램(110)은 이러한 앵커들(140a, 140b, 140c, 140d) 이외에는 기판이나 백 플레이트의 어떠한 부분에도 결합되어 있지 않으므로, 다이아프램(110)의 중심이나 가장자리 등의 여러 부분이 자유롭게 움직일 수 있게 되어 있다.

도 5a에 도시된 앵커들(140a, 140b, 140c, 140d) 및 다이아프램(110)의 구조를 고려하면, 다이아프램(110)은 전체적으로 2개의 앵커들(예를 들어, 140a 및 140b)을 연결한 가상의 축을 중심으로 시소 움직임을 갖거나 U자/역 U자 움직임을 갖는 모드로 진동할 것으로 예상할 수 있다.

도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다이아프램(110)의 필요(required) 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과들이다. 필요 진동 모드는 4개의 서브 영역(110a, 110b, 110c, 110d)이 동기적으로 시소 움직임을 갖는 모드이다. 도 5b에서 다이아프램(110)의 크기는 700x700μm이고, 절개선의 폭은 1μm이며, 앵커의 크기는 10x10μm이다.

도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멤스 음향 센서(250)를 도시한 평면도이다.

멤스 음향 센서(250)는 사각형 다이아프램(210)과 백 플레이트(미도시 됨)로부터 기판(미도시 됨) 방향으로 돌출되는 8개의 원형 앵커들(241a 내지 241d, 242a 내지 242d)을 포함한다. 여기서 상기 기판에 형성된 캐비티(65)는 사각형 다이아프램(210)의 진동 모드를 고려하여 사각형 다이아프램(210)과 엇갈리는 마름모 형상을 가질 수 있다.

상기 다이아프램(210)은 전술한 제2 실시예에 따른 다이아프램(110)과 달리 4개의 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)으로 완전히 분리되어 있다. 따라서, 절개선(215)은 각각 2개의 인접한 서브 영역을 구분하는 선형 절개선들(215a, 215b, 215c, 215d)을 포함하며, 중앙부(215e)에서 만나는 4개의 선형 절개선들(215a, 215b, 215c, 215d)에 의해, 다이아프램(110)은 4개의 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)으로 완전히 분리된다.

각각의 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)은 개별적인 한쌍의 앵커들(241a와 242a, 241b와 242b, 241c와 242c, 241d와 242d)에 의해 독립적으로 지지된다. 특히, 상기 한쌍의 앵커들은 상기 서브 영역에서의 2개의 대각선 중에서 상기 다이아프램(210)의 중심(215e)을 포함하지 않는 대각선 방향으로 배치될 수 있다.

또한, 다이아프램(210)의 변위를 증가시키면서 다이아프램(210)의 보다 원활한 진동을 위해, 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)에는 각각의 앵커를 "U자"로 둘러싸는 한쌍의 추가 절개선(211a와 212a, 211b와 212b, 211c와 212c, 211d와 212d)이 형성된다. 이러한 한쌍의 추가 절개선은 다이아프램(210)이 진동할 때 스프링 구조를 제공하며, 관련된 한쌍의 앵커들을 연결하는 가상선을 따라 서로 대향하도록 배치된다.

다이아프램(210)은 이러한 한쌍의 앵커들 이외에는 기판이나 백 플레이트의 어떠한 부분에도 결합되어 있지 않으므로, 다이아프램(210)의 중심이나 가장자리 등의 여러 부분이 자유롭게 움직일 수 있게 되어 있다. 또한, 다이아프램(210)을 구성하는 4개의 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)으로 서로 완전히 분리되어 있으므로 각각 독립적으로 진동 모드를 갖게 된다.

도 6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 다이아프램(210)의 필요(required) 진동 모드를 각각 보여주는 시뮬레이션 결과들이다. 도 6b에서 다이아프램(210)의 크기는 각각 700x700μm이고, 절개선의 폭은 모두 1μm이며, 앵커의 직경은 16μm이다.

도 6b를 참조하면, 필요 진동 모드는 4개의 서브 영역(210a, 210b, 210c, 210d)이 독립적으로 한쌍의 앵커를 연결하는 가상선을 기준으로 시소 움직임을 갖도록 진동하는 모드이다.

도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멤스 음향 센서(350)를 도시한 평면도이다.

제4 실시예에서 사각형 다이아프램(310)에는 별도의 절개선은 형성되어 있지 않고 중앙에서 단일의 사각형 앵커(340)에 의해 지지되고 있다. 여기서 상기 기판에 형성되는 캐비티(미도시 됨)는 전술한 바와 같은 마름모 형상이 아닌 다이아프램(310)과 유사한 면적을 가지고 겹쳐서 배치된 사각형 형상일 수 있다.

다이아프램(310)은 이러한 단일의 앵커(340) 이외에는 기판이나 백 플레이트의 어떠한 부분에도 결합되어 있지 않으므로, 다이아프램(310)은 앵커(340)와 결합된 중심 부분 이외에는 모든 부분이 자유롭게 움직일 수 있다.

도 7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다이아프램(310)의 필요(required) 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과들이다. 도 7b에서 다이아프램(310)의 크기는 각각 700x700μm이다. 다만, 도 7b에서 앵커의 크기는 각각 170x170μm 및 30x30μm이다.

도 8a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 멤스 음향 센서(450)를 도시한 평면도이다.

제5 실시예에서도 제4 실시예에서와 마찬가지로 다이아프램(410)은 그 중앙에서 단일의 사각형 앵커(440)에 의해 지지되고 있다. 다만, 다이아프램(410)에는 중앙의 앵커(440)의 코너 위치에서부터 다이아프램(410)의 가장자리를 향해 연장되는 복수의 절개선들(411a와 412a, 411b와 412b, 411c와 412c, 411d와 412d)이 형성되어 있다.

이러한 절개선들은 사각형 앵커(440)의 코너로부터 상기 다이아프램(410)의 가장자리와 직교하는 방향으로 연장되고 소정의 간격(w)을 갖는 한쌍의 평행한 절개선(예: 411a 및 412a)의 4개로 구성될 수 있다. 이러한 절개선은 다이아프램(410)이 진동할 때 스프링 구조로 기능한다.

이 때, 다이아프램(410)은 이러한 단일의 앵커(440) 이외에는 기판이나 백 플레이트의 어떠한 부분에도 결합되어 있지 않으므로, 다이아프램(410)은 앵커(440)와 결합된 중심 부분 이외에는 모든 부분이 자유롭게 움직일 수 있다.

도 8b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 다이아프램(410)의 필요(required) 진동 모드를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 도 8b에서 다이아프램(410)의 크기는 각각 700x700μm 및 580x580μm이다. 또한, 도 8b에서앵커의 크기는 30x30μm이다. 그리고, 도 8b에서 평행한 절개선 간의 간격(w)은 각각 14μm이다.

도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 멤스 음향 센서(550)를 도시한 평면도이다.

멤스 음향 센서(550)는 사각형 다이아프램(510)과 백 플레이트(미도시 됨)로부터 기판(미도시 됨) 방향으로 돌출되는 4개의 사각형 앵커들(540a, 540b, 540c, 540d)을 포함한다. 여기서 상기 기판에 형성된 캐비티(65)는 사각형 다이아프램(510)의 진동 모드를 고려하여 사각형 다이아프램(510)과 엇갈리는 마름모 형상을 가지거나 (도 9) 다이아프램(510)과 유사한 면적을 가지고 겹쳐서 배치된 사각형 형상일 수 있다.

다만, 다이아프램(510)이 앵커들(540a, 540b, 540c, 540d)에 의해 지지되는 부분에 스프링 아암(513a, 513b, 513c, 513d)을 형성하기 위하여 다이아프램(510)의 가장자리와 일정한 간격을 유지하면서 평행한 4개의 절개선(515a, 515b, 515c, 515d)이 형성되어 있다. 이러한 4개의 절개선은 다이아프램(510)의 중심부로 기준으로 서로 간에 나선형으로 배치될 수 있다.

다이아프램(510)은 이러한 한쌍의 앵커들 이외에는 기판이나 백 플레이트의 어떠한 부분에도 결합되어 있지 않으므로, 다이아프램(510)의 중심이나 가장자리 등의 여러 부분이 자유롭게 움직일 수 있게 되어 있다. 특히, 다이아프램(510)이 캐비티(65)를 통하여 전달되는 외부 음파에 의해 다이아프램(510)이 이루는 평면에 수직인 방향으로 변위될 때, 스프링 아암(513a, 513b, 513c, 513d)이 상기 수직인 방향으로 변위되면서 다이아프램(510)을 지지한다. 이 때, 다이아프램(510)은 스프링 아암(513a, 513b, 513c, 513d)의 나선형 배치로 인하여, 상기 수직인 방향으로 변위됨과 동시에 반시계 방향으로 어느 정도 회전하게 된다.

도 10는 본 발명의 제7 실시예에 따른 멤스 음향 센서(650)를 도시한 평면도이다.

멤스 음향 센서(650)는 사각형 다이아프램(610)과 백 플레이트(미도시 됨)로부터 기판(미도시 됨) 방향으로 돌출되는 2개의 사각형 앵커들(640a, 640b)을 포함한다. 여기서 상기 기판에 형성된 캐비티(65)는 사각형 다이아프램(610)의 진동 모드를 고려하여 마름모 형상을 가지거나 (도 10) 다이아프램(610)과 유사한 면적을 가지고 겹쳐서 배치된 사각형 형상일 수 있다.

상기 다이아프램(610)이 앵커들(640a, 640b)에 의해 지지되는 부분에 스프링 아암(613a, 613b)을 형성하기 위하여 다이아프램(610)의 가장자리와 일정한 간격을 유지하면서 평행한 2개의 절개선(615a, 615b)이 형성되어 있다. 이러한 2개의 절개선(615a, 615b)은 서로 대향하는 위치에 형성되어 각각 스프링 아암(613a, 613b)을 제공한다. 또한, 스프링 아암(613a, 613b)의 단부에는 스프링 아암(613a, 613b)과 수직인 방향으로 각각 앵커(640a, 640b)와 연결되는 메인 링크(611a, 611b)가 형성된다. 따라서, 다이아프램(610)이 다이아프램(610)이 형성하는 평면에 수직인 방향으로 변위될 때, 메인 링크(611a, 611b)는 토션 스프링으로서 기능한다.

추가적으로, 다이아프램(610)에서 상기 메인 링크(611a, 611b)와 반대쪽 가장자리에도, 이 가장자리와 나란한 방향으로 추가 절개선(615c)이 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 추가 절개선(615c)과 상기 2개의 절개선(615a, 615b) 사이에는 상기 메인 링크(611a, 611b)와 나란한 방향으로 추가 링크(612a, 612b)가 형성된다. 상기 추가 링크(612a, 612b)도 다이아프램(610)이 변위될 때 토션 스프링 역할을 한다.

전체적으로, 음파에 의한 변위시에 다이아프램(610)에는, 메인 링크(611a, 611b)에 의해 1차로 토션(비틀림)이 발생하고, 추가 링크(612a, 612b)에 의해 2차로 토션(비틀림)이 발생한다. 이러한 1차 및 2차 토션은 서로 간에 반대방향인 회전 움직임이다. 이러한 2단 토션으로 인하여 다이아프램(610)은 매우 큰 변위를 가질 수 있으며 이는 결합 커패시턴스의 증가 및 감도 상승으로 이어질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 다이아프램에 대한 최소한의 지지를 제공하여 다이아프램의 최대한 자유로운 움직임을 허용하므로 결합 커패시턴스의 상승뿐만 아니라, 열응력이나 열변형에도 강인성(robustness)을 나타낸다. 특히, 전술한 실시예들에 따른 다이아프램 중에서도 절개선을 갖는 경우에는, 그 절개선으로 나뉘어지는 2개의 영역이 독립적으로 팽창, 수축될 수 있으므로 이러한 열응력이나 열변형의 해소(release) 효과가 보다 분명하게 제공될 수 있다.

도 11a 내지 도 11n은 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저 도 11a를 참조하면, 먼저 웨이퍼 기판(90) 상에 절연층(91)이 증착(deposition)된다. 상기 웨이퍼 기판(90)은 예를 들어, N-타입의 6인치 웨이퍼에 의해 만들어지며, 상기 절연층(91)은 예를 들어, 질화물(nitride), 산화물(oxide) 및 질화물 순으로 증착되어 형성될 수 있다. 이러한 절연층(91)은 화학 기상 증착 방법(CVD)을 이용하여 증착될 수 있다.

다음으로, 절연층(91) 상에는 바닥 전극을 형성하기 위한 폴리실리콘 층(약 1μm)이 증착되고 에칭에 의해 전극들(92)이 패터닝된다(도 11b 참조). 이러한 패터닝 기법으로는 예를 들어, 반응 이온 에칭(RIE; reactive ion etching)이 이용될 수 있다.

그 후, 전극들(92) 및 절연층(91) 상에 희생층(93)을 증착한다(도 11c 참조). 이러한 희생층(93)은 마지막 단계에서 에칭에 의해 제거될 것을 고려하여 에칭 선택성이 좋은 물질을 사용한다. 상기 희생층(93)으로는 실리콘 산화막을 사용할 수 있다. 이와 같이 희생층(93) 증착 이후에는 부분 에칭에 의해 비관통 노치(93a)가 형성되고, 완전 에칭에 의해 관통 노치(93b)가 형성된다(도 11c 참조).

다음으로, 상기 희생층(93) 상에, 다이아프램을 형성하기 위한 폴리실리콘 층(94a, 94b, 94c)을 증착한 후 에칭에 의해 패터닝한다(도 11d 참조). 이러한 폴리실리콘 층은 희망하는 다이아프램의 두께에 따라 1μm 내지 2μm 정도로 증착될 수 있다. 이러한 증착에 의해 상기 비관통 노치(93a) 및 관통 노치(93b)에도 폴리실리콘 층이 충진되며, 특히 관통 노치(93b)에서는 상기 폴리실리콘 층은 상기 전극(92)과도 전기적으로 연결된다.

그 다음으로, 제2차 희생층(95)을 재차 증착한다(도 11e 참조). 제2차 희생층(95)은 제1차 희생층(93)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 그리고, 탑 전극을 생성하기 위한 폴리실리콘 층을 증착하기 전에 제2차 희생층(95)을 에칭하여 필요한 노치들(95a, 95b, 95c)을 형성한다(도 11f 참조).

제2 희생층(95)에 상기 노치들(95a, 95b, 95c)을 형성한 후에는 제2 희생층(95) 위에, 탑 전극 용 폴리실리콘 층(96)을 적층한다(도 11g 참조). 그 후, 상기 폴리실리콘 층(96)을 에칭하여 탑 전극들(96a, 96b, 96c, 96d)을 형성한다(도 11h 참조). 이 후, 제2차 희생층(95)에는 재차 관통 노치들(95d)과 비관통 노치들(95e)을 형성한다(도 11i 참조).

다음으로, 제2 희생층(95) 및 탑 전극들(96a, 96b, 96c, 96d) 상에 절연 물질(예: 질화물)을 증착하여 백 플레이트 층(97)을 형성한다(도 11j 참조). 그 후, 백 플레이트 층(97)을 에칭하여 전극 연결을 위한 관통 노치들(97a)과 백 플레이트의 공기 통로용 관통공들(97b)을 형성한다(도 11k 참조).

다음으로, 복수의 전극 패드들(98a, 98b, 98c, 98d)을 상기 관통 노치들(97a)에 형성한다. 이 중에서 전극 패드(98a)는 바닥 전극(92)까지 전기적으로 연결되고, 전극 패드(98b)는 다이아프램 층(94c)까지 전기적으로 연결되며, 전극 패드(98c)는 탑 전극(96d)까지 전기적으로 연결된다. 또한, 전극 패드(98d)는 기판 자체(91)와 전기적으로 연결되도록 형성된다.

그 후, 기판(90)과 절연층(91)의 중앙부를 하방으로부터 에칭하여 캐비티(65)를 형성한다(도 11m 참조). 마지막으로, 제1 희생층(93) 및 제2 희생층(95)을 예를 들어, 기상 HF(Vapor Hydrofluoric Acid) 에칭을 통해 제거한다(도 11n 참조). 이러한 제1 및 제2 희생층(93, 95)의 에칭에 의해 다이아프램 층(94c)과 백 플레이트 층(97) 사이에는 에어 갭(99)이 형성된다. 다만, 다이아프램(94c)의 바깥쪽 일부에는 제1 및 제2 희생층(93, 95)의 일부가 여전히 잔존하여 지지용 측벽을 형성한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims

캐비티를 포함하는 기판;
상기 기판 상에서 지지되고 복수의 관통홀을 포함하는 백 플레이트;
상기 백 플레이트로부터 상기 기판 쪽으로 돌출되는 적어도 하나의 앵커; 및
상기 적어도 하나의 앵커에 의해 지지되고, 외부로부터 상기 캐비티를 통과하여 유입되는 음파에 의해 변형되는 다이아프램을 포함하되,
상기 변형되는 다이아프램의 일부도 상기 기판과 접촉하지 않는, 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 백 플레이트에는 적어도 하나의 탑 전극이 배치되고, 상기 기판에는 적어도 하나의 바닥 전극이 배치되어, 상기 백 플레이트와 상기 다이아프램 사이 또는 상기 기판과 상기 다이아프램 사이의 결합 커패시턴스가 측정되는, 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 다이아프램의 유효 가동 면적은 상기 캐비티 보다 크고, 상기 적어도 하나의 앵커의 외측까지 연장되는, 멤스 음향 센서.
제1항에 있어서,
상기 다이아프램은 사각형 형상인, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 캐비티는 상기 다이아프램과 엇갈리는 마름모 형상인, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 다이아프램의 중심에서 상기 다이아프램의 가장자리와 직교하는 방향으로 연장되는 십자 형상의 절개선을 갖는, 멤스 음향 센서.
제6항에 있어서,
상기 십자 형상의 절개선의 단부와 상기 직교하는 다이아프램의 가장자리 사이의 영역에서, 상기 다이아프램은 상기 적어도 하나의 앵커에 의해 지지되는, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 다이아프램의 중심에서 상기 다이아프램의 가장자리와 직교하는 방향으로 연장되고, 상기 다이아프램을 4개의 서브 영역으로 완전히 분할하는 십자 형상의 절개선을 갖는, 멤스 음향 센서.
제8항에 있어서,
상기 적어도 하나의 앵커는 상기 4개의 서브 영역 각각을 지지하는 한쌍의 앵커를 포함하고,
상기 한쌍의 앵커는 상기 서브 영역에서의 2개의 대각선 중에서 상기 다이아프램의 중심을 포함하지 않는 대각선 방향으로 배치되는, 멤스 음향 센서.
제9항에 있어서,
상기 다이아프램은, 상기 대각선으로 배치되는 한쌍의 앵커의 주변을 각각 감싸는 한쌍의 U자형 절개선을 포함하고, 상기 한쌍의 U자형 절개선은 서로 대향하는 방향으로 배치되는, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 앵커는 상기 다이아프램의 중심을 지지하는 단일의 사각형 앵커인, 멤스 음향 센서.
제11항에 있어서,
상기 다이아프램은 상기 사각형 앵커의 코너로부터 상기 다이아프램의 가장자리와 직교하는 방향으로 연장되는 4쌍의 평행한 절개선을 포함하는, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 앵커는 4개의 앵커를 포함하고,
상기 다이아프램은 상기 다이아프램의 가장자리와 일정 간격으로 평행하게 형성되는 4개의 절개선을 포함하며, 상기 4개의 절개선에 의해 형성되는 4개의 아암의 단부에 상기 4개의 앵커가 각각 연결되는, 멤스 음향 센서.
제13항에 있어서,
상기 다이아프램이 상기 음파에 의해 변형될 때, 상기 다이아프램은 상기 음파가 제공되는 방향으로 변형됨과 동시에 상기 다이아프램의 중심을 기준으로 회전하는, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 앵커는 2개의 앵커를 포함하고,
상기 다이아프램은 상기 다이아프램의 마주보는 한 쌍의 가장자리를 따라 평행하게 형성되는 2개의 절개선을 포함하며, 상기 2개의 절개선에 의해 형성되는 2개의 아암이 갖는 단부는, 상기 2개의 아암과 수직인 2개의 메인 링크에 의해 상기 2개의 앵커에 각각 연결되는, 멤스 음향 센서.
제4항에 있어서,
상기 다이아프램은 상기 2개의 절개선과 직교하는 방향으로 형성되는 추가 절개선을 더 포함하고, 상기 추가 절개선과 상기 2개의 절개선과의 사이에서, 상기 2개의 절개선과 수직인 추가 링크가 형성되는, 멤스 음향 센서.
제16항에 있어서,
상기 다이아프램이 상기 음파에 의해 변형될 때, 상기 다이아프램은 상기 메인 링크 및 상기 추가 링크에 의해 2단으로 토션 변형되는, 멤스 음향 센서.