KR101764226B1 - 멤스 음향 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 더욱 상세하게 고정핀에 의해 하부 전극을 기판에 고정하여 외부 음압이 입력될 때 하부 전극의 상하 운동으로 인한 비선형 성분을 제거하기 위한 멤스 음향 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판의 일부에 고정홈을 형성한 후, 고정홈에 고정핀을 형성하고, 고정핀에 의해 고정 전극이 기판에 고정되도록 함으로써, 음압 입력시에 원하지 않는 고정 전극의 상하 운동을 제거하여 주파수 응답 특성을 향상시키는 특징을 가지며, 공정 중에 발생할 수 있는 고정 전극의 열적 변형을 억제하여 공정의 수율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

멤스 음향 센서 및 그 제조 방법{MEMS ACOUSTIC SENSOR AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 멤스 음향 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 고정핀에 의해 하부 전극을 기판에 고정하여 외부 음압이 입력될 때 하부 전극의 상하 운동으로 인한 비선형 성분을 제거하기 위한 멤스 음향 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

멤스 마이크로폰에 관한 연구는 주로 압전형(Piezo-type) 및 콘덴서형(Condenser type)으로 나뉘어 이루어지고 있다.
압전형은 압전 물질에 물리적 압력이 가해지는 경우, 압전 물질 양단에 전위차가 발생되는 피에조 효과를 이용하는 것으로, 음성신호의 압력에 따라 전기적 신호로 변환시키지만 낮은 대역 및 음성대역 주파수 특성이 균일하지 않아 응용 범위에 많은 제한이 있다.
콘덴서형은 두 전극을 마주 보게 한 콘덴서의 원리를 응용하는 것으로, 마이크로폰의 한 극은 고정되고 다른 한 극은 진동판 역할을 한다. 음원에 따라 진동판이 진동하게 되면 고정된 극과 진동판 사이에 정전용량이 변하게 되어 축적 전하가 변하고 그에 따라 전류가 흐르는 방식으로, 안정성과 주파수 특성이 우수하다는 장점을 가진다.
음성대역의 우수한 주파수 응답특성 때문에 멤스 마이크로폰은 대부분 콘덴서형이 사용되어 왔다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 고정 전극으로 사용되는 하부 전극 아래에 고정핀을 삽입함으로써 보다 안정적인 구조하에 비선형동작 특성을 억제하여 음압 특성이 향상되며, 제작 공정에서 발생할 수 있는 고정 전극의 열적 변형을 억제하여 공정 수율을 향상시킬 수 있는 음향 센서 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 멤스 음향 센서의 제조방법은 기판의 일부를 식각하여 고정홈을 형성하는 단계; 상기 고정홈이 형성된 기판에 절연막을 형성하고 형성된 절연막을 평판화하여 고정핀을 형성하는 단계; 상기 고정핀이 형성된 기판 상에 고정 전극을 형성하는 단계; 상기 고정 전극 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층을 사이에 두고 상기 고정 전극과 대향하는 진동판과, 상기 진동판의 측면에 상기 진동판을 지지하는 진동판 지지대를 형성하는 단계; 상기 기판의 일부를 식각하여 음향 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고정 전극을 형성하는 단계는, 상기 기판에 기판 절연막, 하부 전극 및 하부 전극 절연막을 차례로 형성하는 단계와, 상기 하부 전극 절연막에서부터 상기 기판 절연막까지 관통하는 음압 입력 홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 희생층을 제거하는 단계는 상기 음향 챔버로부터 음압 입력 홀을 통해 식각 가스를 유입하여 선택적으로 식각하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 희생층은 상기 하부 전극 절연막 및 상기 기판 절연막과 식각 선택비가 다른 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정핀을 형성하는 단계는 상기 절연막은 고정홈이 형성되지 않은 기판면이 노출되도록 평탄화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명에 따른 멤스 음향 센서는 고정핀이 형성되며, 상기 고정핀의 내측이 뚫려있는 형태의 기판; 상기 고정핀에 의해 상기 기판 상에 고정되는 고정 전극; 및 상기 고정 전극 위에 상기 고정 전극과 일정 간격만큼 이격되어 형성되고, 외부 음압에 의해 진동하는 진동판; 을 포함하고, 상기 기판과 상기 고정 전극에 의해 커버되는 공간에는 음향 챔버가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정 전극은 하부 전극, 하부 전극 절연막, 기판 절연막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고정 전극에는 상기 음향 챔버를 통해 음압을 입력받는 하나 이상의 음압 입력 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 진동판을 상기 기판에 연결하기 위해 상기 하부 전극 절연막 상에 형성되는 진동판 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 진동판 지지대는 상기 진동판과 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고정 전극의 하부에 고정핀을 삽입하여 하부 전극이 기판 내부에 단단하게 고정될 수 있어 음압 입력시에 원하지 않는 고정 전극의 상하 운동을 제거하여 주파수 응답 특성을 향상시키는 특징을 가진다.
본 발명에 따르면, 고정핀을 통하여 공정 중에 발생할 수 있는 고정 전극의 열적 변형을 억제하여 공정의 수율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패키지 일체형 음향 센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 선 I-I' 단면도이며 도 3은 도 1의 선 I-I'사시도이다.
도 4a 내지 도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 4b 내지 도 10b는 도 4a 내지 도 10a의 선 I-I' 단면도들이다.
도 5c는 도 5a의 사시도이며, 도 10c는 도 10a의 상기 기판(110) 밑면에서 관찰한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명에서 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 평면도이고, 도 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서의 평면도이고, 도 2는 도 1의 선 I-I' 단면도이며, 도 3은 도 1의 선 I-I'의 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서(100)는, 고정핀(112)이 형성되며 상기 고정핀(112)의 내측이 뚫려있는 형태의 기판(110), 고정핀(112)에 의해 기판(110) 상에 고정되는 고정 전극(123), 상기 고정 전극(123) 위에 상기 고정 전극(123)과 일정 간격만큼 이격되어 형성되고, 외부 음압에 의해 진동하는 진동판(136), 진동판(136)의 측면에 진동판(136)을 지지하는 진동판 지지대(138) 및 상기 기판(110)과 고정 전극(123)에 의해 커버되는 공간에 형성되는 음향 챔버(141)를 포함할 수 있다. 또한 고정 전극(123)은 기판 절연막(120), 하부 전극(121) 및 하부 전극 절연막(122)을 포함한다.
보다 구체적으로는, 기판(110)은 Si 기판 또는 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 3족-5족 화합물 반도체 기판은 GaAs 또는 InP으로 이루어질 수 있다. 상기 기판(110)은 강성 또는 연성(flexible) 기판일 수 있다.
기판(110)은 고정핀(112)을 포함하는데, 고정핀(112)은 고정 전극(123)을 기판(110)에 고정시키는 역할을 한다. 고정핀에 의해 고정 전극(123)이 기판(110)에 고정되면, 외부 음압에 진동판(136)만 선형적으로 반응하여 우수한 주파수 특성을 가질 수 있게 된다.
고정핀(112)은 1 ~ 수㎛의 폭과 10 ~ 수백㎛의 깊이를 가질 수 있으며, 폐루프 형상일 수 있으며, 산화막으로 이루어질 수 있다.
고정 전극(123)은 상기 기판(110) 상에 차례로 형성된 기판 절연막(120), 하부 전극(121) 및 하부 전극 절연막(122)을 포함할 수 있다. 상기 기판 절연막(120) 및 상기 하부 전극 절연막(122)은 산화막 또는 유기막으로 이루어질 수 있다. 필요에 따라, 기판 절연막(120)은 생략 가능하다.
고정 전극(123)에는 음압 입력 홀(130)이 형성된다. 상기 음압 입력 홀(130)은 상기 음향 챔버(141)를 통해 음압을 입력받는 역할 및 희생층 제거를 위한 식각 경로로 사용된다. 희생층 제거에 대해서는 추후에 자세히 설명한다.
진동판(136)은 진동판 갭(142)을 사이에 두고 고정 전극(123)과 서로 대향되어 위치한다. 진동판(136)은 상기 고정 전극(123)의 상대 전극으로 사용되어, 고정 전극(123)과 진동판(136)은 한 쌍의 전극을 이룬다.
진동판(136)은 전도층의 단층 구조, 또는 절연층과 전도층의 적층 구조로 제공될 수 있다. 상기 전도층은, 예를 들어, 금속으로 이루어질 수 있다. 진동판(136)은 수 ㎛의 두께를 가지고, 원형으로 제공될 수 있다.
진동판 지지대(138)는 음압에 의한 진동 시에 진동판(136)이 반응할 수 있도록 진동판(136)의 측면에서 하부 전극 절연막(122) 상에 제공될 수 있다. 진동판 지지대(138)는 진동판(136)의 일 가장자리로부터 연장된 일체형으로 제공될 수 있다. 진동판 지지대(138)는 진동판(136)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
음향 챔버(141)는 고정 전극(123) 아래에서 기판(110) 내부에 형성되며 음향 챔버(141)는 기판(110)의 밑면의 식각을 통해서 형성하여 준다. 음향 챔버(141)를 형성 한 후에는 음압 입력 홀(130)을 통하여 진동판 갭(142)을 형성하여 준다.
전술한 바와 같이 본 발명의 멤스 음향 센서(100)는 고정핀(112)을 사용하여 고정 전극(123)을 기판(110)에 단단하게 고정할 수 있어 음압 입력시에 원하지 않는 고정 전극(123)의 상하 운동을 제거하여 주파수 응답 특성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 4a 내지 도 10c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 제조 방법을 개략적으로 설명하기로 한다.
도 4a 내지 도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 센서의 제조방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 4b 내지 도 10b는 도 4a 내지 도 10a의 선 I-I' 단면도들이고, 도 5c는 도 5a의 사시도이며, 도 10c는 도 10a의 상기 기판(110) 밑면에서 관찰한 평면도이다.
먼저, 도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 기판(110)에 고정핀 홈(111)을 형성한다.
여기에서, 기판(110)은 Si 기판 또는 화합물 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 3족-5족 화합물 반도체 기판은 GaAs 또는 InP으로 이루어질 수 있다. 기판(110)은 강성 또는 연성(flexible) 기판일 수 있다.
고정핀 홈(111)은 건식 식각(dry etching) 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 고정핀 홈(111)은 원형 구조의 폐루프(closed loop) 형상일 수 있다. 이 때, 고정핀 홈(111)은 1 ~ 수㎛의 폭과 10 ~ 수백㎛의 깊이로 형성할 수 있다.
고정핀 홈(111)이 형성되면, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 고정핀 홈(111)에 고정핀(112)을 형성한다. 고정핀(112)은 산화막으로 형성할 수 있다. 고정핀(112)은 고정핀 홈(111)을 포함한 기판(110) 상에 절연막(미도시)을 형성한 후 형성된 절연막을 평탄화하여 형성한다. 이 때 평탄화는 전면 식각, 에치백(etchback) 또는 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정 등을 사용하여 수행할 수 있다.
다음, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 고정핀(112) 및 노출된 상기 기판(110) 상에 기판 절연막(120)을 형성한다.
도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 상기 기판 절연막(120)의 상부에 하부 전극(121) 및 하부 전극 절연막(122)을 순차적으로 형성한다. 상기 기판 절연막(120)은 상기 하부 전극(121)을 상기 기판(110)으로부터 절연시키기 위한 것으로, 경우에 따라 생략 가능하다.
하부 전극 절연막(122)은 상기 하부 전극(121)과 이후에 형성될 진동판(136, 도 8b 참조)과의 절연을 위한 것이다. 상기 기판 절연막(120) 및 상기 하부 전극 절연막(122)은 산화막 또는 유기막으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 기판 절연막(120), 상기 하부 전극(121) 및 상기 하부 전극 절연막(122)은 음향 센서 (100, 도 7b 참조)의 고정 전극(123)이 된다.
고정 전극(123)의 내부에는 후속한 공정에서 음향 챔버(도 10b의 141)가 형성될 수 있도록 홀들(130)을 형성한다. 상기 홀들(130)은 음압 입력 홀로 정의될 수 있다. 상기 음압 입력 홀들(130)은 상기 고정핀(112) 보다 내측으로 형성한다.
도 8a 내지 도 8b를 참조하면, 하부 전극 절연막(122) 상에 희생층(134)을 형성한다. 희생층(134)은 후속한 공정에서 형성되는 진동판(도 9의 136)을 부양시키기 위한 것이다. 희생층(134)은, 예를 들어, 산화막 또는 유기막으로 형성할 수 있다. 희생층(134)은 기판 절연막(120) 및 하부 전극 절연막(122)과 식각 선택비가 다른 물질로 형성한다. 희생층(134)은 수 ㎛의 두께로 형성할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 희생층(134) 상에 진동판(136)을 형성한다. 진동판(136)은 수 ㎛의 두께를 가진다. 진동판(136)은 전도층의 단층 구조, 또는 절연층과 전도층의 적층 구조로 형성할 수 있다. 여기서, 전도층은 상대 전극으로 사용되는 것으로, 금속이다. 절연층은 희생층(134)과 식각 선택비가 다른 산화막 또는 유기막일 수 있다.
진동판(136) 형성 시, 진동판(136)의 양측면의 하부 전극 절연막(122) 상에 진동판 지지대(138)를 형성할 수 있다. 진동판(136) 및 상기 진동판 지지대(138)는 희생층(134) 및 노출된 상기 하부 전극 절연막(122) 상에 전도층막, 또는 절연층과 전도층의 적층막을 형성한 후 포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 패터닝하여 형성한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 음향 센서(100)의 기판(110)의 일부를 기판 절연막(120) 및 음압 입력 홀(130)이 노출되도록 식각하여 음향 챔버(141)를 형성한 후 진동판 갭(142)을 형성한다.
음향 챔버(141)는 건식 식각 방법을 이용하여 기판(110)을 식각하여 형성할 수 있다. 식각 공정은 기판(110)이 Si 기판이면 건식 식각 공정으로 수행할 수 있다. 건식 식각 공정은, 일례로, 등방성 식각이 가능한 XeF2 가스를 사용하여 수행할 수 있다. 즉, 기판(110)의 형성 물질에 적합한 식각 가스를 주입하여 수행할 수 있다.
음향 센서(100)의 하부 영역의 음향 챔버(141) 및 고정 전극(123)에 형성된 음압 입력 홀(130)을 통하여 희생층(134)을 식각하여 진동판 갭(142)을 형성한다. 구체적으로 음압 입력 홀(130)을 통해 식각 가스를 유입시켜 식각가스가 고정 전극(123)의 상부로 유입됨에 따라 희생층(도 9의 134)이 식각될 수 있다. 희생층(도 9b의 134)은 건식 식각 방법을 이용한 식각으로 제거할 수 있다. 식각 공정은 희생층(도 9b의 134)이 유기막이면, 일례로, O₂ 가스를 사용하여 수행할 수 있다. 즉, 식각 공정은 희생층(도 9b의 134) 상에 희생층(도 9b의 134)의 형성 물질에 적합한 식각 가스를 주입하여 수행할 수 있다. 그러면, 상기 음압 입력 홀(130)을 통해 상기 희생층(도 9b의 134)의 내부로 식각 가스가 유입됨에 따라 상기 하부 전극 절연막(122)과 상기 진동판(136) 사이의 희생층(도 9b의 134)이 제거될 수 있다. 여기서, 화살표는 상기 식각 가스의 식각 진행 방향을 나타낸다. 이로써, 상기 진동판(136)상에 제공된 상기 하부 전극 절연막(122) 사이에는 빈 공간으로서 진동판(136)의 진동 공간으로 사용되는 진동판 갭(142)이 형성된다. 그 결과, 고정 전극(123)과 진동판(136)은 일정 간격 거리를 두고 서로 대향하게 된다. 이처럼, 희생층(도 9b의 134)은 음압 입력 홀(130)들을 통하여 식각하여 제거할 수 있다.
이로써, 고정핀(112)을 갖는 기판(110), 고정 전극(123), 고정 전극(123)과 마주보되, 일정 간격 이격된 상기 진동판(136), 상기 음향 챔버(141)를 포함하는 음향 센서(100)를 완성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음향 센서(100)는 상기 고정 전극(123)의 하부에 상기 고정핀(112)을 삽입하여 상기 하부 전극(121)이 상기 기판(110) 내부에 단단하게 고정될 수 있어 음압 입력시에 원하지 않는 상기 고정 전극(123)의 상하 운동을 제거하여 주파수 응답 특성을 향상시키는 특징을 가진다.
또한, 상기 고정핀(112) 삽입을 통한 공정 중에 발생할 수 있는 상기 고정 전극(123)의 열적 변형을 억제하여 공정의 수율을 향상시킬 수 있는 특징을 가진다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

100: 음향 센서 110: 기판
111: 고정핀 홈 112: 고정핀
120: 기판 절연막 121: 하부 전극
122: 하부 전극 절연막 123: 고정 전극
130: 음압 입력 홀 134: 희생층
136: 진동판 138: 진동판 지지대
141: 음향 챔버 142: 진동판 갭

Claims (10)

1. 기판의 일부를 식각하여 고정홈을 형성하는 단계;
   상기 고정홈이 형성된 기판에 절연막을 형성하고 형성된 절연막을 평판화하여 고정핀을 형성하는 단계;
   상기 고정핀이 형성된 기판 상에 고정 전극을 형성하는 단계;
   상기 고정 전극 상에 희생층을 형성하는 단계;
   상기 희생층을 사이에 두고 상기 고정 전극과 대향하는 진동판과, 상기 진동판의 측면에 상기 진동판을 지지하는 진동판 지지대를 형성하는 단계;
   상기 기판의 일부를 식각하여 음향 챔버를 형성하는 단계; 및
   상기 희생층을 식각하여 제거하는 단계
   를 포함하는 멤스 음향 센서의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고정 전극을 형성하는 단계는,
   상기 기판에 기판 절연막, 하부 전극 및 하부 전극 절연막을 차례로 형성하는 단계와.
   상기 하부 전극 절연막에서부터 상기 기판 절연막까지 관통하는 음압 입력 홀을 형성하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 희생층을 제거하는 단계는 상기 음향 챔버로부터 상기 음압 입력 홀을 통해 식각 가스를 유입하여 식각하여 제거하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 희생층은 상기 하부 전극 절연막 및 상기 기판 절연막과 식각 선택비가 다른 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 고정핀을 형성하는 단계는 상기 절연막은 고정홈이 형성되지 않은 기판면이 노출되도록 평탄화하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서 제조방법.
6. 음향 챔버를 포함하는 기판;
   상기 기판에 형성된 고정핀;
   상기 고정핀에 의해 상기 기판 상에 고정되는 고정 전극; 및
   상기 고정 전극 위에 상기 고정 전극과 일정 간격만큼 이격되어 형성되고, 외부 음압에 의해 진동하는 진동판;을 포함하고,
   상기 고정핀은, 실린더 형상의 둘레부와, 상기 둘레부의 내측면을 따라 일 방향으로 순차적으로 이격된 제1, 제2, 제3 및 제4 돌출부들을 포함하고,
   상기 제1, 제2, 제3 및 제4 돌출부들의 각각은 상기 둘레부의 내측면으로부터 내측을 향해 동일한 길이로 돌출되고,
   상기 제1 돌출부는 상기 제3 돌출부와 대향되고, 상기 제2 돌출부는 상기 제4 돌출부와 대향되는 하는 멤스 음향 센서.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서, 상기 고정 전극에는 상기 음향 챔버를 통해 음압을 입력받는 하나 이상의 음압 입력 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
9. 제6항에 있어서, 상기 진동판을 상기 기판에 연결하기 위해 상기 고정 전극 상에 형성되는 진동판 지지대를 더 포함하는 멤스 음향 센서.
10. 제9항에 있어서,
    상기 진동판 지지대는 상기 진동판과 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서.
    
    
    

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