KR20230016526A - Mems 마이크로폰 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

중앙부에 공기 챔버를 형성하는 기판(substrate), 상기 기판 위에(above) 배치되고, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀(perforation)을 가지는 고정막(back-plate), 및 상기 고정막과 상기 기판 사이에 배치되고, 압축 방향의 잔류 응력을 형성하며, 상기 고정막을 향해 볼록(convex)한 형태로 구부러지는 기본 형태를 가지고, 상기 복수의 관통홀을 통해 전달되는 음압에 따라 진동하는 진동막(vibration membrane)을 포함하는 MEMS 마이크로폰을 제공한다.

Description

MEMS 마이크로폰 및 이의 제조 방법{MEMS MICROPHONE AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 개시는 MEMS 마이크로폰 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 MEMS 마이크로폰은 진동막과 고정막을 포함한다. 음압이 진동막에 가해질 때 진동막이 상하로 움직이고, 이 때 발생되는 진동막과 고정막 사이의 정전용량 변화가 전압 신호로 변환된다.

MEMS 마이크로폰의 감도를 결정하는 중요한 요소들로는, 진동막의 강성, 진동막 고정막 사이 간격, 바이어스 전압 등을 예로 들 수 있다. 감도를 향상시키기 위해, 공정적으로 진동막의 잔류 응력(residual stress)을 낮추거나, 진동막과 고정막 사이 간격을 감소시키거나, 구조적으로 진동막의 잔류 응력을 해소하면서 강성을 감소시키는 기술 등이 연구되고 있다.

예컨대 진동막의 강성을 낮추면, MEMS 마이크로폰의 감도를 향상할 수 있다. 그러나 이러한 시도는 한계점에 도달하고 있고, 이를 통한 감도 향상은 미미한 수준에 머무르고 있다. 또한, 박막 개수를 늘려 감도를 향상시키는 연구가 있으나, 공정 난이도 및 비용 상승이라는 문제점이 있다. 한편으로, 진동막과 고정막 사이 간격을 줄이려는 연구가 지속적으로 진행되고 있으나, 공정상 난이도가 높아 수율 및 재현성 확보에 어려움이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 개시는 향상된 감도를 가지는 MEMS 마이크로폰 및 이의 제조 방법을 제공한다.

본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰은, 중앙부에 공기 챔버를 형성하는 기판(substrate), 상기 기판 위에(above) 배치되고, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀(perforation)을 가지는 고정막(back-plate), 및 상기 고정막과 상기 기판 사이에 배치되고, 압축 방향의 잔류 응력을 형성하며, 상기 고정막을 향해 볼록(convex)한 형태로 구부러지는 기본 형태를 가지고, 상기 복수의 관통홀을 통해 전달되는 음압에 따라 진동하는 진동막(vibration membrane)을 포함한다.

상기 고정막은 상기 진동막을 향하는 면에 형성되는 고정막 전극층(back-plate electrode layer)을 포함하고, 상기 진동막은 전도성으로 형성되어, 상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이의 정전 용량의 변화에 따라 음압 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.

상기 진동막은, 상기 공기 챔버의 영역에 형성되는 주름부(corrugation portion), 및 상기 주름부 내측으로 형성되며, 상기 주름부 외측의 진동막 부분에 비해 상기 고정막에 더욱 가깝게 형성되는 벤딩부(bent portion)를 포함할 수 있다.

상기 주름부는, 상기 공기 챔버의 중앙을 중심으로 설정된 크기를 가지는 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.

상기 진동막의 벤딩부와 상기 고정막 사이의 거리는, 상기 벤딩부의 중앙이 가장 작고 상기 벤딩부의 중앙으로부터 멀어질수록 커지도록 형성될 수 있다.

상기 진동막은, 상기 진동막의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부를 상기 고정막 쪽으로 지지할 수 있다.

상기 벤딩부는, 설정된 벤딩 전압을 상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이에 인가함으로써 상기 고정막 전극층을 향해 위치될 수 있다.

상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이의 정전 용량(capacitance)을 검출하도록, 상기 고정막 전극층에는 고정막 전극 패드가 형성되고 상기 진동막에는 진동막 전극 패드가 형성될 수 있으며, 상기 벤딩부는, 상기 벤딩 전압을 상기 고정막 전극 패드 및 상기 진동막 전극 패드에 인가함으로써 상기 고정막 쪽으로 위치될 수 있다.

본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 제조 방법은, 기판 상에 산화막(oxide layer)을 증착하고 패터닝하는 단계, 상기 패터닝된 산화막 상에, 진동막 재료를 증착하고, 이온 주입하며, 어닐링하여, 압축 방향의 잔류 응력이 잔존하는 진동막을 형성하는 단계, 상기 진동막 상에 희생층(sacrificial layer)을 증착하는 단계, 상기 희생층 상에 고정막 전극 재료(backplate electrode material)를 증착하고, 이온 주입하고, 어닐링하여, 고정막 전극층을 형성하는 단계, 상기 희생층 상에 상기 고정막 전극층을 덮도록 고정막 지지층을 증착하는 단계, 상기 고정막 지지층 및 고정막 전극층을 패터닝하여, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀을 상기 고정막에 형성하는 단계, 상기 고정막 지지층 및 상기 희생층을 패터닝하여, 상기 고정막 전극층의 전극 패드 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드를 오프닝하는 단계, 상기 고정막 전극층의 전극 패드 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드 상에 금속층을 증착하고 패터닝하는 단계, 상기 실리콘 기판을 식각하여 상기 실리콘 기판 내부에 공기 챔버를 형성하는 단계, 상기 공기 챔버 위의 희생층을 식각하여 상기 진동막이 압축 방향의 잔류 응력에 의해 아래쪽으로 처지도록 하는 단계, 설정된 벤딩 전압을 상기 고정막 전극 패드 및 상기 진동막 전극 패드 사이에 인가함으로써, 아래쪽으로 처진 상기 진동막이 상기 고정막 쪽으로 벤딩되도록 하는 단계, 및 상기 진동막의 상기 고정막 쪽으로 벤딩이 완료되면 상기 벤딩 전압을 해제하는 단계를 포함한다.

상기 산화막을 증착하고 패터닝하는 단계는, 상기 산화막을 패터닝함으로써 주름 패턴을 형성할 수 있다.

상기 진동막을 형성하는 단계는, 상기 주름 패턴이 형성된 산화막 상에 진동막을 형성함으로써, 진동막에 주름부를 형성할 수 있다.

상기 벤딩 전압을 해제하는 단계 이후에는, 상기 진동막의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부가 상기 고정막 쪽으로 지지될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 개시의 실시예에 따르면, 진동막의 기본 형태가 고정막에 가까이 위치할 수 있어, MEMS 마이크로폰의 감도가 개선될 수 있다.

이러한 MEMS 마이크로폰은 제조 과정에서 고정막 전극 단자 및 진동막 전극 단자에 전압을 인가함으로써, 기존 공정에 비해 과다하게 복잡하지 않은 공정을 통해 고감도의 MEMS 마이크로폰을 제조할 수 있다.

그 외에 본 개시의 실시예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 개시의 실시예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 개시의 실시예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

도 1은 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 개략도이다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 고정막의 예시를 나타내는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b은 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 진동막의 예시를 나타내는 평면도이다.
도 4a 내지 도 4k는 은 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 제조 방법을 도시한 공정 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

명세서에 기재된 "유닛", "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 "유닛", "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.

이제 본 개시의 실시예에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 개략도이다.

도 2는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 고정막의 예시를 나타내는 평면도이다.

도 3a 및 도 3b는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 진동막의 예시를 나타내는 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰은, 기판(substrate)(200), 고정막(back-plate)(300), 및 진동막(vibration membrane)(100)을 포함한다.

상기 기판(200)은 예컨대, 실리콘 기판(silicon substrate)일 수 있다. 상기 기판(200)은, 중앙부에 공기 챔버(210)를 형성한다.

상기 고정막(300)은, 상기 기판 위에(above) 배치되고, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀(perforation)(330)을 가진다.

도 2에서는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 고정막(300)이 원형으로 형성되는 것을 도시하나, 이는 설명을 위한 예시일 뿐으로서, 본 실시예는 특정한 형상에 한정되지 않음을 이해할 수 있다. 예컨대, 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰은 사각형 등 다각형의 형태로 형성될 수 있고, 이에 따라 고정막(300)도 사각형 등 다각형의 형태로 형성될 수 있다.

상기 진동막(100)은, 상기 고정막(300)과 상기 기판(200) 사이에 배치되고, 압축 방향의 잔류 응력을 형성하며, 상기 고정막(300)을 향해 볼록(convex)한 형태로 구부러지는 기본 형태를 가지고, 상기 복수의 관통홀(330)을 통해 전달되는 음압에 따라 진동한다.

예컨대, 진동막(100)을 증착할 때 증착 조건에 따라, 압축 방향의 잔류 응력(compressive residual stress)이 진동막(100)에 잔존하도록 할 수 있으며, 이는 당업자에게 알려진 방법에 따라 구현될 수 있고, 본 실시예에서는 구체적인 증착 방법을 제한하지 않는다.

여기서, 진동막(100)의 기본 형태란, 진동막(100)에 아무런 음압(sound pressure)이 인가되지 않고, 고정막(300)과 진동막(100) 사이에 아무런 전압이 인가되지 않을 때의, 자유로운 상태에서의 형태를 의미한다. 즉, 진동막(100)이 평평(flat)하게 형성된 경우라도 음압이 인가되는 경우 진동하면서 구부러지게 되는데, 이러한 동작 중의 구부러진 상태가 본원에서의 기본 형태에 해당하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 진동막(100)에 인가되는 음압의 진동을 검출하기 위해 기본 전압(base voltage)을 인가하였을 때에도 진동막(100)은 구부러질 수 있는데, 이는 본원에서 말하는 기본 형태에 해당하는 것으로 해석되어서는 안된다.

상기 고정막(300)은 상기 진동막(100)을 향하는 면에 형성되는 고정막 전극층(back-plate electrode layer)(320)을 포함한다. 상기 고정막 전극층(320)은 상하로 움직이지 않도록 고정막 지지층(310)에 의해 지지한다. 예컨대, 상기 고정막 전극층(320)은 폴리실리콘 소재로 형성될 수 있고, 상기 고정막 지지층(310)은 실리콘질화물(SiN)로 형성될 수 있다.

상기 진동막(100)은 전도성으로 형성된다. 이에 따라, 본 개시의 MEMS 마이크로폰은, 상기 고정막 전극층(320)과 상기 진동막(100) 사이의 정전 용량의 변화에 따라 음압 신호를 전기 신호로 변환한다. 즉, 본 개시의 MEMS 마이크로폰은, 소위 정전 용량형 MEMS 마이크로폰으로 형성된다.

진동막과 고정막이 평행하게 형성되는 기존 기술에 비해, 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰에서는, 진동막(100)이 고정막(300)을 향해 가깝게 형성되므로, 정전 용량형 MEMS 마이크로폰의 감도를 향상할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 진동막(100)은, 주름부(corrugation portion)(110) 및 벤딩부(bent portion)(120)를 포함한다.

상기 주름부(110)는, 상기 공기 챔버(210)의 영역에 형성될 수 있다. 상기 벤딩부(120)는 상기 주름부(110) 내측으로 형성되며, 상기 주름부(110) 외측의 진동막(100) 부분에 비해 상기 고정막(300)에 더욱 가깝게 형성된다. 이와 같이 주름부(110)와 벤딩부(120)가 형성되는 과정에 관하여는, 후술하는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰 제조 방법에 관련하여 상세히 설명한다.

이와 같이 진동막(100)을 주름부(110)와 벤딩부(120)로 구분하여 형성함으로써, 진동막(100)은, 주름부(110)에서, 고정막(300)을 향해 급격히 구부러질 수 있다. 따라서, 주름부(110) 내측의 벤딩부(120)는, 보다 넓은 면적으로 그리고 보다 적은 곡률로, 고정막(300)에 한층 더 가까이 위치할 수 있다. 이는 따른 MEMS 마이크로폰의 감도를 더욱 향상하는데 도움될 것임은 쉽게 이해할 수 있다.

아울러, 진동막(100)을 주름부(110)와 벤딩부(120)로 구분하여 형성함으로써, 음압에 의해 진동막(100)이 진동할 때 벤딩부(120)의 상하 움직임이 주름부(110)에 의해 보다 자유로와질 수 있고, 이는 MEMS 마이크로폰의 감도 향상에 도움되는 것임을 쉽게 이해할 수 있다.

도면에서는 주름부(110)에 주름이 하나 형성된 것을 도시하고 있으나, 본 실시예는 이에 제한되지 않는다. 통상의 기술자는 주름부(110)에 필요한 개수의 주름을 형성할 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다.

도 3a에서는 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰의 진동막(100)이 원형으로 형성되는 것을 도시하나, 이는 설명을 위한 예시일 뿐으로서, 본 실시예는 특정한 형상에 한정되지 않음을 이해할 수 있다. 예컨대, 도 3b에 도시된 바와 같이, 예컨대, 본 개시의 실시예에 따른 MEMS 마이크로폰은 사각형 등 다각형의 형태로 형성될 수 있고, 이에 따라 진동막(100)도 사각형 등 다각형의 형태로 형성될 수 있다.

가능한 구현예로서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 주름부(110)는, 상기 공기 챔버(210)의 중앙을 중심으로 설정된 크기를 가지는 원형으로 형성될 수 있다. 다른 가능한 구현예로서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 주름부(110)는, 상기 공기 챔버(210)의 중앙을 중심으로 설정된 크기를 가지는 다각형(예컨대 사각형)으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 주름부(110)의 구체적인 형태는 특정 형태에 제한되지 않음을 이해할 수 있다.

아울러, MEMS 마이크로폰의 전체적인 형태와 상기 주름부(110)의 형태가 동일한 형태(예컨대, 원형, 다각형, 등)로 형성될 수 있으나, 본 실시예는 반드시 이에 제한되지 않는다. 예컨대, MEMS 마이크로폰은 전체적으로 사각형으로 형성되고 주름부(110)는 전체적으로 원형으로 형성되는 것이 가능함을 쉽게 이해할 수 있다.

이와 같이, 벤딩부(120)가 형성됨으로써, 상기 진동막(100)의 벤딩부(120)와 상기 고정막(300) 사이의 거리는, 상기 벤딩부(120)의 중앙이 가장 작고 상기 벤딩부(120)의 중앙으로부터 멀어질수록 커지도록 형성된다.

기본 상태에서, 상기 진동막(100)은, 상기 진동막(100)의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부(120)를 상기 고정막(300) 쪽으로 지지하고 있다. 즉, 진동막(100)은 중력에 의해 아래쪽으로 처지려는 힘을, 압축 방향의 잔류 응력이 진동막(100)을 지지하여, 고정막(300)을 향해 전체적으로 볼록한 형태가 평형 상태가 되도록 유지되는 것이다.

상기 벤딩부(120)는, 설정된 벤딩 전압(V0)을 상기 고정막 전극층(320)과 상기 진동막(100) 사이에 인가(도 4j 참조)함으로써 상기 고정막 전극층(320)을 향해 위치된다.

상기 고정막 전극층(320)과 상기 진동막(100) 사이의 정전 용량(capacitance)을 검출하도록, 상기 고정막 전극층(320)에는 고정막 전극 패드(350)가 형성되고 상기 진동막(100)에는 진동막 전극 패드(150)가 형성된다. 상기 고정막 전극 패드(350) 상에는 전극 단자 형성을 위한 금속층(340)이 형성되고, 상기 진동막 전극 패드(150) 상에는 전극 단자 형성을 위한 금속층(140)이 형성된다.

상기 벤딩부(120)는, 상기 벤딩 전압(V0)을 상기 고정막 전극 패드(350) 및 상기 진동막 전극 패드(150)에 인가함으로써 상기 고정막(300) 쪽으로 위치한다.

이와 같은 구성의 본 실시예의 MEMS 마이크로폰의 구성은, 후술하는 본 실시예의 MEMS 마이크로폰 제조 방법에서 더욱 명확하게 이해될 것이다.

이하, 본 실시예의 MEMS 마이크로폰 제조 방법을 도 4a 내지 도 4k를 참조로 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 반도체 공정에서 이미 알려진 사항에 대하여는 간단히 언급하고, 본 실시예의 MEMS 마이크로폰 제조 방법에 고유한 사항에 관하여는 더욱 상세히 설명함을 이해할 것이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 먼저, 기판(200) 상에 산화막(oxide layer)(410)을 증착하고 패터닝한다. 예컨대, 상기 산화막(410)을 패터닝하는 과정에서, 상기 진동막(100)의 주름부(110)에 대응되는 주름 패턴(420)이 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝된 산화막(410) 상에, 진동막 재료를 증착하고, 이온 주입하며, 어닐링하여, 압축 방향의 잔류 응력이 잔존하는 진동막(100)을 형성한다.

예컨대, 상기 진동막 재료는 폴리실리콘(Polysilicon)일 수 있다. 상기 이온 주입 과정은 전도성을 가지는 이온을 주입하는 과정으로서, 이를 통해 상기 진동막(100)은 전기 전도성(electrical conductivity)을 띠게 된다.

이미 설명한 바와 같이, 진동막(100)을 증착할 때 증착 조건에 따라, 압축 방향의 잔류 응력(compressive residual stress)이 진동막(100)에 잔존하도록 할 수 있다.

이러한 진동막 형성 과정에서, 진동막(100)은 상기 주름 패턴(420)이 형성된 산화막(410) 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 주름 패턴(420)에 대응하여 주름부(110)가 진동막(100)에 형성될 수 있음을 이해할 수 있다. 주름부(110) 내측의 영역은 벤딩부(120)로 지칭됨은 이미 설명한 바와 같다.

다음으로, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 진동막(100) 상에 희생층(sacrificial layer)(420)을 증착한다. 상기 희생층(420)은 예컨대 산화막으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 희생층(420) 상에 고정막 전극 재료(backplate electrode material)를 증착하고, 이온 주입하고, 어닐링하여, 고정막 전극층(320)을 형성한다. 그리고, 상기 희생층(420) 상에 상기 고정막 전극층(320)을 덮도록 고정막 지지층(310)을 증착한다.

상기 고정막 전극층(320)은 상기 진동막(100)과의 사이에 정전 용량을 형성함으로써, 진동막(100)의 진동에 따라 정전 용량의 변화에 따른 음압 검출에 사용됨을 이해할 것이다. 상기 고정막 전극층(320)을 형성하는 고정막 전극 재료는 일예로 폴리실리콘일 수 있다.

상기 고정막 지지층(310)은 고정막 전극층(320)이 상하로 움직이지 않도록 지지한다. 상기 고정막 지지층(310)을 형성하는 고정막 지지층 재료는 실리콘질화물(SiN)일 수 있다.

다음으로, 도 4e에 도시된 바와 같이, 상기 고정막 지지층(310) 및 고정막 전극층(320)을 패터닝하여, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀(330)을 상기 고정막(300)에 형성한다.

다음으로, 도 4f에 도시된 바와 같이,상기 고정막 지지층(310) 및 상기 희생층(420)을 패터닝하여, 상기 고정막 전극 패드(350) 및 상기 진동막(100)의 진동막 전극 패드(150)를 오프닝한다.

다음으로, 도 4g에 도시된 바와 같이,상기 고정막 전극 패드(350) 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드(150) 상에 금속층(340, 140)을 각각 증착하고 패터닝한다.

상기 금속층은 고정막 전극 패드(350) 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드(150)에 단자를 각각 형성하기 위한 것으로서, 전기 전도성이 뛰어난 임의의 소재로 증착될 수 있다.

다음으로, 도 4h에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(200)을 식각하여 상기 실리콘 기판(200) 내부에 공기 챔버(210)를 형성한다.

다음으로, 도 4i에 도시된 바와 같이, 상기 공기 챔버(210) 위의 희생층(420)을 식각한다.

공기 챔버(210) 위의 희생층(420)이 제거됨으로써, 진동막(100)은, 상기 진동막(100)의 무게에 의해, 그리고 상기 진동막(100)이 압축 방향의 잔류 응력에 의해, 아래쪽으로 처지게 된다. 아울러, 진동막(100)에 형성된 주름부(110)에 의해 진동막(100)의 아래쪽으로 더욱 쉽게 처지게 된다.

본 실시예는, 진동막(100)의 처짐 현상을 줄이기 위해, 즉, 희생층(420)을 제거할 때 진동막(100)이 가능하면 평평한 상태를 유지하도록 하기 위해, 저응력(low-stress) 진동막을 사용하려는 시도가 이루어지는 기존 기술과 대조된다. 기존 기술에 대비하여 본 실시예는 진동막의 구부러짐 현상을 강화하기 위해, 압축 방향의 잔류 응력이 잔존하도록 진동막(100)을 증착하고, 아울러 진동막(100)에 주름부(110)를 형성하는 것이다. 진동막(100)의 주름부(110)에 의해 진동막(100)의 벤딩부(120)가 더 쉽게 아래로 처질 수 있음은 쉽게 이해할 수 있다.

다음으로, 도 4j에 도시된 바와 같이, 설정된 벤딩 전압(V0)을 상기 고정막 전극 패드(350) 및 상기 진동막 전극 패드(150) 사이에 인가한다.

상기 벤딩 전압(V0)이 인가되는 경우, 상기 고정막 전극층(320)과 상기 진동막(100) 사이에는 정전기력이 형성되고, 이는 진동막(100)을 위로 당기려는 힘으로 작용하게 된다. 따라서, 진동막(100)은, 희생층(420) 제거 직후에 아래로 처진 평형 상태로부터, 고정막(300)을 향해 위로 볼록하게 구부러진 평형 상태로 바뀌게 된다.

이러한 위로 볼록하게 구부러진 평형 상태는 진동막(100)의 기본 상태를 형성하게 된다. 전술한 바와 같이 진동막(100)의 기본 상태에서, 상기 진동막(100)은, 상기 진동막(100)의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부(120)를 상기 고정막(300) 쪽으로 지지하게 된다. 즉, 진동막(100)은 중력에 의해 아래쪽으로 처지려는 힘을, 압축 방향의 잔류 응력이 진동막(100)을 지지하여, 고정막(300)을 향해 전체적으로 볼록한 형태가 평형 상태가 되도록 유지되는 것이다.

상기 설정된 벤딩 전압(V0)은 예컨대 수 볼트 내지 수십 볼트의 크기로 인가될 수 있으나, 이는 일예일 뿐이고, 구체적인 크기는 본 실시예에서 제한되지 않는다. 적정한 상기 벤딩 전압(V0)의 크기는, 진동막(100)의 두께와 면적과 같은 제원, 진동막(100)에 잔존하는 압축 방향의 잔류 응력의 세기, 등에 따라 통상의 기술자가 용이하게 결정할 수 있다.

상기 벤딩 전압(V0)이 인가되면 진동막(100)은, 희생층(420) 제거 직후에 아래로 처진 평형 상태로부터, 고정막(300)을 향해 위로 볼록하게 구부러진 평형 상태로, 순간적으로(instantaneously) 바뀌게 된다. 따라서, 상기 벤딩 전압(V0)을 인가하는 기간(duration)은 본 실시예에서 특별히 제한되지 않는다.

다만, 구현예에 따라서, 진동막(100)의 평형 상태가 천이(transition)되는 것을 확실히 하기 위해, 고정막(300)을 향해 위로 볼록하게 구부러진 평형 상태가 안정화되는 시간을 제공하기 위해, 및/또는 다른 공정 상의 목적상, 통상의 기술자는 벤딩 전압(V0)을 인가하는 기간을 설계 조건에 적합하도록 용이하게 설정할 수 있다.

다음으로, 도 4k에 도시된 바와 같이, 상기 진동막(100)의 상기 고정막(300) 쪽으로 벤딩이 완료되면, 상기 벤딩 전압(V0)을 해제한다.

상기 벤딩 전압(V0)을 해제한 이후에, 상기 진동막(100)은, 전술한 바와 같이, 상기 진동막의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부(120)가 상기 고정막 쪽으로 지지되고, 진동막(100)은 상기 고정막(300)을 향해 볼록(convex)한 형태로 구부러지는 기본 형태를 유지하게 된다.

이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 진동막 110: 주름부
120: 벤딩부 140: 금속층
150: 진동막 전극 패드
200: 기판 210: 공기 챔버
300: 고정막 310: 고정막 지지층
320: 고정막 전극층 330: 관통홀
340: 금속층 350: 고정막 전극 패드
410: 산화막 420: 희생층
420: 주름 패턴 V0: 벤딩 전압

Claims (12)

1. 중앙부에 공기 챔버를 형성하는 기판(substrate);
   상기 기판 위에(above) 배치되고, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀(perforation)을 가지는 고정막(back-plate); 및
   상기 고정막과 상기 기판 사이에 배치되고, 압축 방향의 잔류 응력을 형성하며, 상기 고정막을 향해 볼록(convex)한 형태로 구부러지는 기본 형태를 가지고, 상기 복수의 관통홀을 통해 전달되는 음압에 따라 진동하는 진동막(vibration membrane);을 포함하는 MEMS 마이크로폰.
2. 제1항에서,
   상기 고정막은 상기 진동막을 향하는 면에 형성되는 고정막 전극층(back-plate electrode layer)을 포함하고,
   상기 진동막은 전도성으로 형성되어,
   상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이의 정전 용량의 변화에 따라 음압 신호를 전기 신호로 변환하는, MEMS 마이크로폰.
3. 제2항에서,
   상기 진동막은,
   상기 공기 챔버의 영역에 형성되는 주름부(corrugation portion); 및
   상기 주름부 내측으로 형성되며, 상기 주름부 외측의 진동막 부분에 비해 상기 고정막에 더욱 가깝게 형성되는 벤딩부(bent portion);를 포함하는, MEMS 마이크로폰.
4. 제3항에서,
   상기 주름부는, 상기 공기 챔버의 중앙을 중심으로 설정된 크기를 가지는 원형 또는 다각형으로 형성되는, MEMS 마이크로폰.
5. 제3항에서,
   상기 진동막의 벤딩부와 상기 고정막 사이의 거리는, 상기 벤딩부의 중앙이 가장 작고 상기 벤딩부의 중앙으로부터 멀어질수록 커지는, MEMS 마이크로폰.
6. 제3항에서,
   상기 진동막은, 상기 진동막의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부를 상기 고정막 쪽으로 지지하는, MEMS 마이크로폰.
7. 제3항에서,
   상기 벤딩부는, 설정된 벤딩 전압을 상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이에 인가함으로써 상기 고정막 전극층을 향해 위치되는, MEMS 마이크로폰.
8. 제7항에서,
   상기 고정막 전극층과 상기 진동막 사이의 정전 용량(capacitance)을 검출하도록, 상기 고정막 전극층에는 고정막 전극 패드가 형성되고 상기 진동막에는 진동막 전극 패드가 형성되며,
   상기 벤딩부는, 상기 벤딩 전압을 상기 고정막 전극 패드 및 상기 진동막 전극 패드에 인가함으로써 상기 고정막 쪽으로 위치되는, MEMS 마이크로폰.
9. 기판 상에 산화막(oxide layer)을 증착하고 패터닝하는 단계;
   상기 패터닝된 산화막 상에, 진동막 재료를 증착하고, 이온 주입하며, 어닐링하여, 압축 방향의 잔류 응력이 잔존하는 진동막을 형성하는 단계;
   상기 진동막 상에 희생층(sacrificial layer)을 증착하는 단계;
   상기 희생층 상에 고정막 전극 재료(backplate electrode material)를 증착하고, 이온 주입하고, 어닐링하여, 고정막 전극층을 형성하는 단계;
   상기 희생층 상에 상기 고정막 전극층을 덮도록 고정막 지지층을 증착하는 단계;
   상기 고정막 지지층 및 고정막 전극층을 패터닝하여, 음파가 통과하기 위한 복수의 관통홀을 상기 고정막에 형성하는 단계;
   상기 고정막 지지층 및 상기 희생층을 패터닝하여, 상기 고정막 전극층의 전극 패드 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드를 오프닝하는 단계;
   상기 고정막 전극층의 전극 패드 및 상기 진동막의 진동막 전극 패드 상에 금속층을 증착하고 패터닝하는 단계;
   상기 실리콘 기판을 식각하여 상기 실리콘 기판 내부에 공기 챔버를 형성하는 단계;
   상기 공기 챔버 위의 희생층을 식각하여 상기 진동막이 압축 방향의 잔류 응력에 의해 아래쪽으로 처지도록 하는 단계;
   설정된 벤딩 전압을 상기 고정막 전극 패드 및 상기 진동막 전극 패드 사이에 인가함으로써, 아래쪽으로 처진 상기 진동막이 상기 고정막 쪽으로 벤딩되도록 하는 단계;
   상기 진동막의 상기 고정막 쪽으로 벤딩이 완료되면 상기 벤딩 전압을 해제하는 단계;를 포함하는, MEMS 마이크로폰 제조 방법.
10. 제9항에서,
    상기 산화막을 증착하고 패터닝하는 단계는,
    상기 산화막을 패터닝함으로써 주름 패턴을 형성하는, MEMS 마이크로폰 제조 방법.
11. 제10항에서,
    상기 진동막을 형성하는 단계는,
    상기 주름 패턴이 형성된 산화막 상에 진동막을 형성함으로써, 진동막에 주름부를 형성하는, MEMS 마이크로폰 제조 방법.
12. 제9항에서,
    상기 벤딩 전압을 해제하는 단계 이후에는,
    상기 진동막의 압축 방향의 잔류 응력에 의해 상기 벤딩부가 상기 고정막 쪽으로 지지되는, MEMS 마이크로폰 제조 방법.
    

Images