WO2011068282A1 - 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the two cited references could contact the membrane or the lower electrode when an overvoltage or an external impact was applied to the membrane or the lower electrode. Therefore, there are cases where it is difficult to convert sound into an electrical signal.
  • FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views illustrating a process of depositing a sacrificial layer and a back plate on the membrane side of a silicon substrate.
  • the contact preventing electrode part 17 may be deposited on the insulating layer 13.
  • the deposition process of the contact preventing electrode portion 17 is as follows.
  • a membrane 25 is deposited on the air gap forming portion 15 of the silicon substrate 10.
  • the membrane 25 is spaced apart from the contact preventing electrode part 17.
  • the membrane 25 is a diaphragm vibrating by negative pressure and a lower electrode of the capacitor for measuring capacitance.
  • the back plate 37 may be a flexible conductive material including nickel. Since the back plate 37 is a conductive material, electricity may be supplied to the back plate. In addition, since the back plate is a soft material, it is possible to prevent the back plate from being damaged when an external impact is applied to the back plate.
  • the membrane 25 and the back plate 37 have opposite polarities, and the anti-contact electrode portion 17 has the same polarity as the back plate 37.

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Abstract

본 발명은 멤브레인과 백 플레이트가 과전압 또는 외부 충격 등에 의해 접촉되는 것을 방지할 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 실리콘 기판에 증착되어 상기 멤브레인에 척력을 작용하는 접촉방지 전극부;를 포함하는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

멤스 마이크로폰 및 그 제조방법
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 마이크로폰에는 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℃ 정도의 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.
국제공개번호 WO 2007/112743(공개일자 2007년 03월 29일)은 실리콘 기판을 산화하여 백 볼륨을 형성하는 멤스 마이크로폰 제조방법이 개시된다. 이때, 상기 실리콘 기판에는 백 볼륨을 형성하기 위해 다공성 실리콘 구조를 산화하고, 상기 다공성 실리콘 구조를 형성하기 위해 도전층, 금속층, 실리콘 산화막 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 구조는 전압 조건에 따라 실리콘의 산화 속도가 불균일해질 수 있으므로, 상기 백 볼륨이 불균일하게 식각될 수 있었다. 상기 백 볼륨의 표면이 불균일하게 식각되는 경우, 상기 다이어프렘(진동판)과 백 플레이트 사이의 거리가 불균일해지므로, 음향을 전기적인 신호로 정확하게 변환하기 곤란한 경우가 있었다.
또한, 상기 멤스 마이크로폰은 폴리실리콘(Polysilicon) 재질로 다이어프렘(진동판)과 백 플레이트가 형성된다. 상기 다이어프렘과 백 플레이트는 정전용량을 측정하는 회로와 연결되어야 하므로 전도성을 띄어야 한다. 따라서, 상기 다이어프램과 백 플레이트은 내부에 전도성 이온을 주입시킨 후 안정화시키기 위해 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열되는 공정을 거친다.
이때, 상기 마이크로폰 제조 공정은 금속성 재질로 회로가 패터닝된 ASIC 칩(Application Specific Integrated Chip) 제조 공정 후에 멤스 칩(MEMS Chip)을 제조하는 공정 등으로 이루어지므로, 상기 멤스 칩과 ASIC 칩이 하나의 칩으로 제조되기 곤란했다. 그 이유는, 상기 멤스 칩의 제조 공정에서 ASIC 칩이 고온에 노출되면, 상기 ASIC 칩의 회로가 녹거나 손상되기 때문이다. 나아가, 상기 멤스 칩과 AISIC 칩이 원 칩(one chip)으로 제조되기 곤란하므로, 상기 멤스 칩과 ASIC 칩이 별도의 공정에서 제작되어 제조 공정이 증가하고 제조 단가가 증가될 수 있었다.
또한, 상기 2개의 인용문헌은 멤브레인이나 하부 전극에 과전압이 걸리거나 또는 외부 충격이 작용했을 때에 상기 멤브레인이나 하부 전극이 접촉될 수 있었다. 따라서, 음향을 전기적인 신호로 변환하기 곤란한 경우가 있었다.
상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 멤브레인과 백 플레이트에 과전압이 걸리거나 또는 외부 충격이 작용하더라도 상기 멤브레인과 백 플레이트가 접촉되는 것을 방지할 수 있는 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 멤브레인과 백 플레이트에 이온을 흡착시키기 위해 고온으로 가열할 필요가 없고, 상기 멤브레인과 백 플레이트에서 발생되는 잔류 응력을 최소화시킬 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 실리콘 기판에 증착되어 상기 멤브레인에 척력을 작용하는 접촉방지 전극부;를 포함하는 멤스 마이크로폰을 제공한다.
상기 멤브레인과 백 플레이트는 상호 반대 극성을 띄고, 상기 접촉방지 전극부는 상기 멤브레인과 동일 극성을 띄게 할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 실리콘 기판에 접촉방지 전극부가 증착되는 단계; 상기 실리콘 기판에 상기 접촉방지 전극부와 이격되도록 멤브레인이 증착되는 단계; 상기 멤브레인에 희생층이 증착되는 단계; 상기 희생층의 상측에는 상기 접촉방지 전극부에 척력을 작용하는 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 접촉방지 전극부가 증착되는 단계; 상기 실리콘 기판에 상기 접촉방지 전극부와 이격되도록 백 플레이트가 증착되는 단계; 상기 백 플레이트에 희생층이 증착되는 단계; 상기 희생층에는 상기 접촉방지 전극부에 척력을 작용하는 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, 접촉방지 전극부가 멤브레인에 척력을 작용하므로, 상기 멤브레인에 과전압이 걸리거나 또는 멤브레인에 외부 충격이 작용하더라도 상기 멤브레인과 백 플레이트가 접촉되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인과 백 플레이트에 이온을 주입하기 위해 고온으로 가열할 필요가 없고, 상기 멤브레인과 백 플레이트에서 발생되는 잔류 응력을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 상기 멤브레인과 백 플레이트가 실리콘 기판과의 접촉 부위에서 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 무전해 도금법을 이용하여 멤브레인과 백 플레이트가 증착되므로, 상기 멤브레인과 백 플레이트의 두께를 쉽게 조절하여 음향 특성을 안정화시키고 음향 감도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 접촉방지 전극부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 7은 에어갭 형성부에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 8 및 도 9는 실리콘 기판의 멤브레인 상측에 희생층 및 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 13은 멤브레인, 백 플레이트 및 접촉방지 전극부의 극성을 도시한 선도이다.
도 14는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 15 및 도 16은 에어갭 형성부에 접촉방지 전극부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 17 내지 도 19는 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 20 및 도 21은 실리콘 기판의 멤브레인 상측에 희생층 및 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 22 및 도 23은 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 24는 멤브레인, 백 플레이트 및 접촉방지 전극부의 극성을 도시한 선도이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멤스 마이크로폰에 관한 구체적인 실시예에 관해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에 관해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제1실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰은 실리콘 기판(10)을 포함한다. 상기 실리콘 기판(10)의 양측에는 질화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000001
) 또는 산화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000002
)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 2 참조). 이때, 상기 실리콘 기판(10)의 상측 절연 보호층(11)은 RIE(Reactive Ion Etching) 장비에 의해 식각될 수 있다.
도 3을 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 산화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000003
) 또는 질화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000004
) 등이 적용될 수 있다.
상기 에어갭 형성부(15)의 깊이가 기 설정된 깊이로 조절됨에 의해 아래에서 설명할 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이의 간격을 조절할 수 있다. 상기 에어갭 형성부(15)의 깊이는 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 습식 식각됨에 의해 대략 54.74°의 각도(α)을 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 4 내지 도 6은 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 접촉방지 전극부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 에어갭 형성부(15)에는 절연층(13)이 증착된다. 이때, 상기 절연층(13)은 에어갭 형성부(15)의 경사면(16)에서 중앙측으로 약간 연장된 부분과 끝단부 사이가 남겨지도록 식각될 수 있다. 이때, 상기 절연층(13)의 중앙은 식각에 의해 제거된다.
상기 절연층(13)에는 접촉방지 전극부(17)가 증착될 수 있다. 상기 접촉방지 전극부(17)의 증착 공정은 다음과 같다.
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 접촉방지 전극부(17)가 형성될 영역을 패터닝한다. 상기 패터닝된 영역에 접촉방지 전극부(17)를 증착한다(도 5 참조). 그리고, 상기 감광성 마스크 물질(21)을 제거한다(도 6 참조).
이때, 멤브레인(25)과 백 플레이트(37)는 상호 반대 극성을 띄고, 상기 접촉방지 전극부(17)는 상기 백 플레이트(37)와 동일한 극성을 띈다. 상기 접촉방지 전극(17)에는 상기 접촉방지 전극(17)에 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있도록 접촉방지 회로(미도시)가 연결될 수 있다. 이러한 접촉방지 회로는 상기 멤브레인(25)에 과잉전류가 공급되거나 또는 외부 충격이 가해졌을 때에 상기 접촉방지 전극에 전류를 공급할 수 있다. 이러한 접촉방지 전극부(17)에 관해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 에어갭 형성부에 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 실리콘 기판(10)의 에어갭 형성부(15) 상측에는 멤브레인(25)이 증착된다. 이때, 상기 멤브레인(25)은 상기 접촉방지 전극부(17)과 이격된다. 상기 멤브레인(25)은 음압에 의해 진동하는 진동판이면서 정전용량을 측정하는 콘덴서의 하부 전극이다.
상기 멤브레인(25)은 무전해 도금법(electroless plating)에 의해 증착될 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. 상기 니켈 멤브레인(25)이 형성된 후 상기 감광성 마스크 물질(21)을 제거한다. 마지막으로, 상기 멤브레인(25)의 표면을 세척한다.
상기 멤브레인(25)은 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되어 이루어지므로, 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)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 종래와 같이 폴리 실리콘에 금속성 이온을 주입하기 위해 별도의 고온 가열 공정을 수행할 필요가 없으며, 제조 공정이 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 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.
한편, 상기 멤브레인(25)으로는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질이 적용될 수 있다. 상기 멤브레인(25)은 전도성 재질이므로, 상기 멤브레인에는 전기가 통전될 수 있다. 또한, 상기 멤브레인이 연성 재질이므로, 상기 멤브레인(25)이 과잉 전압에 의해 진동하거나 또는 외부적인 충격이 가해질 때에 상기 멤브레인이 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 분사되어, 상기 에어갭 형성부(15)의 경사면(16)에는 상기 멤브레인(25)과 그 전극(미도시) 단락되지 않고 용이하게 이어질 수 있다.
도 8 및 도 9는 실리콘 기판의 멤브레인 상측에 희생층과 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 에어갭 형성부(15)에 희생층(33)을 증착시킨다. 이때, 상기 희생층(33)은 실리콘 기판(10)에 소정 깊이로 식각된 에어갭 형성부(15)에 증착되므로, 상기 희생층(33)을 증착하기 위해 별도의 층을 증착하거나 식각할 필요가 없다. 따라서, 희생층(33)을 용이하게 증착할 수 있고, 제조공정을 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 9를 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.
상기 백 플레이트(37)는 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되어 이루어지므로, 상기 백 플레이트(37)을 증착하기 위해 종래와 같이 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다. 또한, 상기 백 플레이트(37)은 금속성 재질로 이루어지므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 종래와 같이 폴리 실리콘에 금속성 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, 상기 백 플레이트(37)와 실리콘 기판(10)의 접촉 부위에서 크랙(crack)이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
상기 백 플레이트(37)는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질이 적용될 수 있다. 상기 백 플레이트(37)는 전도성 재질이므로, 상기 백 플레이트에 전기가 통전될 수 있다. 또한, 상기 백 플레이트는 연성 재질이므로, 상기 백 플레이트에 외부 충격이 가해질 때에 상기 백 플레이트가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 10 및 11을 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.
상기 백 챔버(41)가 형성될 영역은 KOH 용액 또는 TMAH 용액에 의해 이방성 습식 식각될 수 있다(도 10 참조). 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 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 10 참조). 이때, 마스크 물질로는 실리콘 나이트라이드, 실리콘 다이옥사이드, 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. 이때, 상기 절연층(13)은 백 챔버(41) 측으로 소정 길이 돌출되고, 상기 절연층(13)의 돌출된 부분에는 상기 멤브레인(25)의 양측과 상기 접촉방지 전극(17)이 배치된다. 상기 절연층(13)의 돌출된 부분은 탄성을 가진므로 상기 멤브레인(25)의 진동시 멤브레인(25)이 용이하게 진동한다.
도 12를 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 증착 높이에 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.
도 13은 멤브레인, 백 플레이트 및 접촉방지 전극부의 극성을 도시한 선도이다.
도 13을 참조하면, 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37)는 상호 반대 극성을 띄고, 상기 접촉방지 전극부(17)는 상기 백 플레이트(37)와 동일한 극성을 띈다
즉, 상기 멤브레인(25)은 음극(-)을 띄고, 상기 백 플레이트(37)는 양극(+)을 띄며, 상기 접촉방지 전극부(17)는 양극(+)을 띌 수 있다. 또한, 상기 멤브레인(25)은 양극(+)을 띄고, 상기 백 플레이트(37)는 음극(-)을 띄며, 상기 접촉방지 전극부(17)는 음극(-)을 띌 수 있다.
이때, 상기 절연층(13)의 돌출된 부분에는 상기 멤브레인(25)의 양측과 접촉방지 전극부(17)가 배치되므로, 상기 멤브레인(25)은 접촉방지 전극부(17)과 백 플레이트(37)의 척력에 의해 하측으로 눌려지게 된다. 그러므로, 상기 멤브레인(25)이 과전압이나 외부 충격에 의해 상호 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 음압 측정이 원활해짐에 따라 마이크로폰의 음향 특성이 향상될 수 있다.
상기와 같이 구성된 멤스 마이크로폰은 상기 멤브레인(25)이 음압에 의해 진동할 때에 상기 멤브레인(25)과 백 플레이트(37) 사이의 에어갭(45)의 간격이 변화된다. 이때, 상기 에어갭(45)의 간격이 변화됨에 따라 정전용량이 변화되고, 변화된 정전용량에 의해 음성을 전기적인 신호로 변환한다.
도 13에서 점선은 접촉방지 전극부(17)가 설치되지 않은 경우, 상기 멤브레인(25)이 외부 충격이나 과잉 전류에 의해 접촉된 상태를 도시한 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에 관해 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명에 따른 멤스 마이크로폰의 제2실시예에서 실리콘 기판에 에어갭 형성부를 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 14를 참조하면, 상기 멤스 마이크로폰은 실리콘 기판(50)을 포함한다. 상기 실리콘 기판(50)의 양측에는 질화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000005
)과 산화 실리콘(
Figure PCTKR2010000883-appb-I000006
)과 같은 절연 보호층(51,52)이 증착된다. 이때, 상기 질화 실리콘은 저압 기상 증착(LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 실리콘 기판(50)의 표면에 보호층(51,52)을 증착시킨다.
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 식각된다.
상기 실리콘 기판(50)의 상측을 KOH 용액 또는 TMAH 용액으로 식각하여 상기 에어갭 형성부(55)를 기 설정된 깊이로 형성한다.
상기 에어갭 형성부(55)의 깊이를 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 각도(α)를 갖는 경사면(56)을 이룰 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)을 갖는 것이다.
도 15 및 도 16은 에어갭 형성부에 접촉방지 전극부를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 상기 실리콘 기판(50)의 에어갭 형성부(55)에는 접촉방지 전극부(57)가 증착될 수 있다. 상기 접촉방지 전극부(57)의 증착 공정은 다음과 같다.
상기 에어갭 형성부(55)가 형성된 실리콘 기판(10)의 표면에 감광성 마스크 물질을 도포한다. 상기 감광성 마스크 물질(61)을 노광 및 현상하여 접촉방지 전극부(57)가 형성될 영역을 패터닝한다. 상기 패터닝된 영역에 접촉방지 전극부(57)를 증착한다(도 15 참조). 그리고, 상기 감광성 마스크 물질(61)을 제거한다(도 16 참조).
이때, 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65)는 상호 동일한 극성을 띄고, 상기 접촉방지 전극부(57)는 상기 멤브레인(77)과 반대 극성을 띈다. 이러한 접촉방지 전극부(57)에 관해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
도 17 내지 도 19는 실리콘 기판의 에어갭 형성부에 백 플레이트를 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 상기 실리콘 기판(50)의 에어갭 형성부(55) 상측에는 백 플레이트(65)가 증착된다. 상기 백 플레이트(65)는 정전용량을 측정하는 콘덴서의 하부 전극이다.
상기 백 플레이트(65)는 무전해 도금법에 의해 증착될 수 있다. 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 17 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 18 참조). 상기 니켈 백 플레이트(65)가 형성된 후 상기 감광성 물질을 제거한다(도 19 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 이루어지므로, 상기 백 플레이트(65)을 증착하기 위해 종래와 같이 대략 1100℃ 정도의 고온으로 가열할 필요가 없다. 또한, 상기 백 플레이트(65)는 금속성 재질로 이루어지므로, 정전용량을 측정하는 외부 회로(예: ASIC 칩)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 종래와 같이 폴리 실리콘에 금속성 이온을 주입하기 위해 별도의 고온 가열 공정을 수행할 필요가 없으며, 제조 공정이 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(65)는 무전해 도금에 의해 전도성 이온 등이 환원 치환되므로, 상기 백 플레이트(65)를 증착하기 위해 고온으로 가열할 필요가 없다. 따라서, 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)가 정상적으로 진동되도록 하여 음향 특성을 안정화시킬 수 있다.
상기 백 플레이트(65)로는 니켈을 포함하는 연성 전도성 재질이 적용될 수 있다. 상기 백 플레이트(65)는 전도성 재질이므로, 전기가 통전된다. 또한, 상기 백 플레이트(65)는 연성 재질이므로, 상기 백 플레이트(65)는 외부적인 충격에 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트(65)의 두께는 대략 2~10㎛로 형성될 수 있다.
도 20 및 도 21은 실리콘 기판의 멤브레인 상측에 희생층과 멤브레인을 증착하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 20을 참조하면, 상기 에어갭 형성부(55)에 희생층(73)을 증착시킨다. 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 21을 참조하면, 상기 멤브레인(77)은 희생층(73)의 상측에 무전해 도금방식으로 증착될 수 있다. 상기 멤브레인(77)은 대략 0.2~2㎛의 두께로 증착될 수 있다. 이러한 멤브레인(77)은 음압에 진동하는 진동판이면서 상기 백 플레이트(65)에 대향되게 설치되는 콘덴서의 상부 전극이다.
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.
또한, 상기 멤브레인(77)은 무전해 도금에 의해 대략 90℃ 정도의 저온에서 전도성 이온 등이 환원 치환되어 이루어지므로, 상기 멤브레인(77)을 증착하기 위해 종래와 같이 대략 1100℃의 고온으로 가열할 필요가 없다.
또한, 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.
도 22 및 도 23은 실리콘 기판에 백 챔버와 에어갭을 형성하는 공정을 도시한 단면도이다.
도 22를 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, 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, 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 23을 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 상기 에어갭 형성부(55)의 식각 깊이와 상기 희생층(73)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.
도 24는 멤브레인, 백 플레이트 및 접촉방지 전극부의 극성을 도시한 선도이다.
도 24를 참조하면, 상기 멤브레인(77)과 백 플레이트(65)는 상호 반대 극성을 띄고, 상기 접촉방지 전극부(57)는 상기 멤브레인(77)과 동일한 극성을 띈다.
즉, 상기 멤브레인(77)은 양극(+)을 띄고, 상기 백 플레이트(65)는 음극(-)을 띄며, 상기 접촉방지 전극부(57)는 양극(+)을 띌 수 있다. 또한, 상기 멤브레인(77)은 음극(-)을 띄고, 상기 백 플레이트(65)는 양극(+)을 띄며, 상기 접촉방지 전극부(57)는 음극(-)을 띌 수 있다.
이때, 상기 접촉방지 전극부(57)는 상기 멤브레인(77)과 대향되므로, 상기 멤브레인(77)에 척력을 작용하여 상기 백 플레이트(65)와 멤브레인(77)이 과잉 전류나 외부 충격에 의해 상호 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 음압 측정이 원활해짐에 따라 마이크로폰의 음향 특성이 향상될 수 있다.
도 24에서 점선은 접촉방지 전극부(57)이 설치되지 않은 경우, 상기 멤브레인(77)이 외부 충격이나 과잉 전류에 의해 접촉된 상태를 도시한 것이다.
상기한 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 멤스 마이크로폰은 에어갭 형성부의 식각 깊이를 조절하여 상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭을 조절할 수 있다.
또한, 상기 멤브레인과 백 플레이트는 니켈을 포함하는 동일한 물질로 증착되므로, 공정이 단순화되고 제조단가가 감소될 수 있다.
또한, 상기 백 플레이트와 멤브레인은 동일한 공정에 의해 실리콘 기판에 증착되므로, 멤스 마이크로폰의 제조 공정이 단순화되고 수율이 현저히 증가될 수 있다.
또한, 상기 멤브레인과 백 플레이트는 무전해 도금에 의해 저온에서 증착되므로, 상기 실리콘 기판과 멤브레인 및 백 플레이트의 접촉 부위에 잔류 응력이 발생되는 것을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 멤브레인이 변형되거나 접촉 부위에 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 멤브레인과 백 플레이트가 고전압이 걸리거나 외부 충격에 의해 서로 접촉되는 것을 방지하여 음압 측정을 정확하게 할 수 있으므로, 산업상으로 현저한 이용 가능성이 있다.

Claims (10)

  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 실리콘 기판에 증착되어 상기 멤브레인에 척력을 작용하는 접촉방지 전극부;를 포함하는 멤스 마이크로폰.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트는 상호 반대 극성을 띄고,
    상기 접촉방지 전극부는 상기 멤브레인와 동일 극성을 띄는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판에는 기 설정된 깊이로 식각됨에 따라 에어갭 형성부가 형성되고,
    상기 멤브레인은 에어갭 형성부의 하측 또는 상측에 증착되고,
    상기 백 플레이트는 멤브레인과 이격되어 에어갭을 형성하도록 에어갭 형성부의 하측 또는 상측에 증착되며,
    상기 접촉방지 전극부는 상기 에어갭 형성부의 하측에 증착되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰.
  5. 실리콘 기판에 접촉방지 전극부가 증착되는 단계;
    상기 실리콘 기판에 상기 접촉방지 전극부와 이격되도록 멤브레인이 증착되는 단계;
    상기 멤브레인에 희생층이 증착되는 단계;
    상기 희생층의 상측에는 상기 접촉방지 전극부에 척력을 작용하는 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.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 접촉방지 전극부가 증착되는 단계는:
    상기 실리콘 기판에 에어갭 형성부가 형성되는 단계; 및
    상기 에어갭 형성부의 바닥면에 접촉방지 전극부가 증착되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  8. 실리콘 기판에 접촉방지 전극부가 증착되는 단계;
    상기 실리콘 기판에 상기 접촉방지 전극부와 이격되도록 백 플레이트가 증착되는 단계;
    상기 백 플레이트에 희생층이 증착되는 단계;
    상기 희생층에는 상기 접촉방지 전극부에 척력을 작용하는 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.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 접촉방지 전극부가 증착되는 단계는:
    상기 실리콘 기판에 에어갭 형성부가 형성되는 단계; 및
    상기 에어갭 형성부의 바닥면에 접촉방지 전극부가 증착되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 멤브레인과 백 플레이트 사이의 에어갭의 간격은 상기 에어갭 형성부의 깊이에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 멤스 마이크로폰의 제조방법.
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