KR101980785B1 - 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로폰의 부품으로 사용되는 정전용량형 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 기판 위에 형성되는 멤브레인, 멤브레인과 일정간격을 두고 이격되어 다층막으로 형성되는 백 플레이트를 가지며 각층들의 잔류응력의 차이로 인하여 백 플레이트에 발생하는 처짐을 줄여서 멤브레인의 진동할 공간을 늘리고 멤브레인이 백 플레이트에 부착되는 것을 막는 딤플 부분에도 백 플레이트 전극으로 작용하는 도전막을 넣어 멤스 음향 센서 정전용량을 늘리고 백 플레이트의 음향저항을 낮추어 잡음을 줄이는 정전용량형 멤스 음향 센서이 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마이크로폰의 부품으로 사용되는 정전용량형 멤스(MEMS) 음향센서에 관한 것으로, 백 플레이트를 구성하는 각층들의 잔류응력의 차이로 인하여 백 플레이트가 멤브레인을 향하여 처지는 현상을 제거하여 진동할 공간을 늘리고 멤브레인이 백 플레이트에 부착되는 것을 방지하는 딤플 부분에도 전극을 삽입하여 정전용량을 증가시키고 백 플레이트의 음향저항을 낮추어 잡음을 감소시킨 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
멤스(MEMS, 마이크로-전기기계적 시스템)는 마이크로 전자공학의 정밀 제조기술을 사용하여 제조하는 소형(수 미크론에서 수백 미크론 크기) 전기기계를 포함하는 시스템이다. 멤스의 주요한 예들은 압력 센서(pressure sensor)와 진동 가속도계(accelerometer), 음향 센서(acoustic sensor) 등이다.
마이크로폰은 음성 신호를 전기적 신호로 바꿔주는 변환기 역할을 하는데 음파에 의하여 발생하는 음압의 변화를 감지하는 음향 센서와 감지된 변화를 전기 신호로 변환하는 판독회로(Readout circuit)로 구성되며, 전화기, 보청기, 무선 전화기, 개인 오디오 기기 등에 사용된다. 실리콘을 기반으로 한 마이크로폰이 최초로 출시된 후 20년 이상 되었으며, 실리콘 가공 기술의 발전에 따라 대량 생산에 적합한 높은 재현성과 정밀도를 갖는 저렴한 제품을 만들게 되었다.
종래에 가장 흔히 사용된 마이크로폰의 음향 센서는 정전용량 원리(capacitive principle)로 동작하는 제품이 출시되었고, 크게 두 가지로 나누어진다. 그 중 정전용량형 음향 센서로 먼저 상용화한 것이 ECM(Electret Condenser Microphone)이고, 그 후에 다시 멤스로 구현하였다.
ECM의 일렉트릿은 분극 유전체를 의미하며 전하축적층에 탑재된 성분이다. 전하를 축적하는 기능을 갖고 있어서 바이어스 전압을 인가할 필요가 없는데 최초의 ECM은 Hohm 과 Gerhard-Multhaupt에 의해 1984년에 발표되었다. 일렉트릿의 전하는 솔더링(soldering) 온도에 취약하고 롱텀 드리프트(long-term drift)로 인해 특성이 악화되어 마이크로폰 감도에 영향을 준다. 그래서, 일렉트릿으로 특성이 뛰어난 테플론(Teflon)을 실리콘 마이크로폰에 적용한 시도가 있었지만 표준 양산공정에 테플론을 적용하는 것은 많은 어려운 문제점들이 있었다.
반면, 멤스 음향 센서는 일렉트릿 물질을 사용하지 않아서, 전하를 축적하기 위해 바이어스 전압을 걸어 주어야 한다. 멤스 음향 센서는 고온 솔더링 과정으로 성능이 악화되지 않으며, 음향 센서의 크기와 제조비용을 줄일 수 있는 것이 장점이다.
멤스 음향센서는 CMOS 공정을 활용하여 미세 기계 구조물로 제조된다. 두 개의 평판전극인 멤브레인과 백 플레이트 사이에 유전물질로 작용하는 미세 에어 갭(air gap)이 생성된다. 백 플레이트에는 다수의 음향 홀(acoustic holes)을 형성하여 에어 댐핑(air damping)을 완화시키는 역할을 할 수 있다. 음파가 멤브레인에 작용하면, 에어 갭의 간격을 변화시켜서 멤브레인과 백 플레이트 간의 정전용량의 변화를 일으킨다. 마이크로폰의 판독 회로(readout circuit)는 음파에 의하여 발생한 정전용량의 변화를 전기적 신호로 바꿔 준다.
지금까지 멤스 마이크로폰 제조업체들은 감도 개선 및 잡음 레벨(noise level)을 낮추기 위해 멤브레인과 백 플레이트의 구조와 물질 등을 지속적으로 개선해 왔다. 감도와 SNR(Signal-to-Noise Ratio, 신호 대 잡음비)을 높이려면 음압의 변화에 따른 음향 센서의 정전용량의 변화가 크고 발생하는 잡음이 적어야 한다. 정전용량의 변화량을 늘리려면 서로 마주보고 있는 전극인 멤브레인과 백 플레이트에 의하여 형성되는 센서 정전용량 값이 커야 하며 멤브레인이 진동할 수 있는 공간이 충분해야 한다.
도 1은 종래의 통상적인 정전용량형 멤스 음향 센서의 단면도이다.
백 플레이트(30)는 일반적으로 전극을 형성하는 백 플레이트 도전막(30b)과 기판에 연결되어 지지구조를 형성하는 백 플레이트 비도전막(30a)이 접합되어 생성된다. 이때 백 플레이트 도전막(30b)과 비도전막(30a) 사이에 잔류응력의 차이로 인하여 백 플레이트(30)의 중심부가 멤브레인(20)을 향해서 아래로 볼록한 포물면을 형성하도록 휘어지는 처짐(deformation)현상이 일어난다.
이러한 상태에서 멤브레인 도전막(20b)에 바이어스 전압을 걸면 멤브레인 도전막(20b)과 백 플레이트 도전막(30b)에 전하가 축적되면서 두 전극 사이에 전기력이 발생하여 멤브레인(20)이 백 플레이트(30) 방향으로 끌려 올라가서 멤브레인(20)의 중점을 꼭지점으로 하는 위로 볼록한 포물면이 형성된다.
결국 백 플레이트(30)와 멤브레인(20)이 서로 중심부가 접근하게 되어 멤브레인(20)이 진동할 공간(10)이 줄어들고, 주변부는 중심부에 비하여 멤브레인(20)과 백 플레이트(30) 사이의 거리가 멀어서 단위면적당 정전용량이 줄어들고 정전용량의 변화에 거의 기여를 못하게 된다.
이 상태에서 음파에 의하여 음압이 가해지면 멤브레인 포물면 꼭지점은 위 아래로 움직이지만 전체 멤브레인(20)은 여전히 위로 볼록한 포물면 형태를 유지하게 된다.
결국 감도와 SNR을 높이려면 백 플레이트(30)의 처짐을 줄여서 멤브레인(20)이 진동할 공간을 늘리고 주변부와 중앙부에서 멤브레인(20)과 백 플레이트(30) 간의 간격 차이를 줄여야 한다.
그런데, 멤브레인(20)과 백 플레이트(30)의 간격이 좁아지면 멤브레인(20)이 백 플레이트(30)에 부착되는 경우가 발생하므로, 멤브레인(20)이 백 플레이트에 부착되는 것을 방지하기 위하여 백 플레이트(30)에 딤플(33)을 형성하기도 하는데, 딤플(33) 부분에 도전막이 존재하면 멤브레인(20)이 딤플(33)에 접촉할 때 멤브레인(20)의 전하가 딤플을 통해 방전되기 때문에 딤플(33)에는 도전막을 형성할 수 없게 되므로 음향 센서 정전용량이 그만큼 줄어들게 되는 단점이 있다.
한편, 백 플레이트(30)를 두껍게 하여 백 플레이트(30)의 강성을 높여서 휘는 정도를 감소시키는 방법을 생각할 수 있지만, 이 경우에는 음향 홀의 음향저항이 증가하는 단점이 있다.
백 플레이트(30)를 통하여 음향을 멤브레인(20)에 전달하기 위해서 백 플레이트(30)에는 다수의 음향 홀(32)이 존재하는데 음향 홀의 음향저항(R a )은 다음의 수식으로 표현된다.
단, μ: 공기의 점성계수,
l: 음향 홀의 길이(백 플레이트의 두께),
n: 음향 홀의 수,
r: 음향 홀의 반지름
음향저항(R a )은 열잡음의 원인이 되어 SNR을 감소시키므로 음향저항을 최대한 줄여야 한다. μ 는 공기의 특성과 관련된 상수이므로 개선할 여지가 없다. l 을 줄이려면 백 플레이트(30)의 두께를 줄여야 하지만 그렇게 하면 백 플레이트의 강성이 줄어들게 된다. n 을 늘리거나 r을 늘리면 음향저항은 줄어들지만 전극면적이 작아져서 센서의 정전용량이 줄어든다.
따라서, 백 플레이트의 두께를 증가시키면 음향저항이 증가하므로 이러한 방법에는 한계가 있으며, 오히려 백 플레이트의 두께를 감소시켜서 음향저항을 감소시키면서 음향 센서의 정전용량을 줄이지 않고 백 플레이트의 처짐을 줄일 수 있는 방법이 필요하다.
국내특허공개 제10-2013-0039504호 (2013.04.22. 공개)는 잔류응력의 차이로 백 플레이트의 중심부가 멤브레인을 향하여 휘는 현상을 개선하기 위한 하나의 방법을 제시하는 바, 도 2를 참조하여 이를 설명하기로 한다.
도 2에서는 음향 챔버(110)를 고정전극(120, 121, 122)이 덮고 있는데 이것이 백 플레이트(123)가 되고 그 위에 진동판인 상부 전극으로 멤브레인(136)이 위치한다. 하부 백 플레이트(123)의 하단에 고정핀(112)이 있어서 백 플레이트(123)의 처짐을 방지한다.
그러나, 이 방식의 경우 고정핀(112)을 제조하기 위해서 고정홈을 깊이 파야 하는 공정상의 어려움이 있고 음향에 의하여 진동하는 진동판인 멤브레인(136)이 외부로 직접 노출되어 공정 중에 손상될 수 있고 또한 음향 센서의 동작 중에도 외부 입자나 수분에 의하여 손상될 수 있다.
또한, 국내특허공개 제10-2014-0028467호 (2014.03.10. 공개)는 잔류응력의 차이로 백 플레이트의 중심부가 멤브레인을 향하여 휘는 현상을 개선하기 위한 다른 방법을 개시하는 바, 도 3을 참조하여 이를 설명한다.
도 3에서는, 처짐을 개선하기 위하여 기판(210)의 상부를 깊게 식각하고 식각방지용 물질을 매립하여 식각 방지벽(216)을 형성한다. 그리고 제 1희생층(미도시)을 증착하고 나서 제1 희생층 상부에 진동판인 멤브레인(220)을 형성한다. 그 다음에 제2희생층(미도시)을 증착하고 제2희생층 상부에 고정전극(230a, 230b)인 백 플레이트(230)를 형성한다. 마지막으로 제1희생층과 제2희생층을 제거하고 하부 전극 아래의 기판(210)을 식각하여 후방 음향 챔버(212)를 만든다. 이때 처음에 삽입해 놓은 식각 방지벽(216)에 의하여 식각이 방지되기 때문에 중앙에 백 플레이트 지지대(214)가 형성되어 멤브레인의 배기구멍(224)을 통해 백 플레이트(230)를 지지하게 된다.
그러나, 이 방식도 식각 방지벽(216)을 설치하기 위해서는 음향 챔버(212)의 깊이만큼 깊게 식각해야 하는데 그 정도로 좁으면서 깊게 식각하는 것과 좁고 깊은 홈을 매립하는 것은 제품 양산에 적용하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서의 정전용량을 늘리고 음향 센서의 주변부와 중앙부에서 멤브레인(20)과 백 플레이트(30) 간의 간격 차이를 줄일 수 있도록 백 플레이트(30)의 처짐을 줄이거나 방지할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
또한, 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서 정전용량을 늘리고 멤브레인(20)이 진동할 공간을 늘리는 동시에 열잡음을 줄이기 위하여 음향저항을 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하다.
또한, 멤브레인(20)이 백 플레이트(30)에 부착되는 것을 방지하기 위하여 백 플레이트(30)에 형성한 딤플(33)에 의하여 백 플레이트 도전막(30b)의 면적이 줄어드는 것을 억제할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서의 정전용량을 늘리고 음향 센서의 주변부와 중앙부에서 멤브레인(20)과 백 플레이트(30) 간의 간격 차이를 줄이는 동시에 백 플레이트(30)의 처짐을 줄이거나 방지할 수 있는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서 정전용량을 늘리고 멤브레인(20)이 진동할 공간을 늘리는 동시에 열잡음을 줄이기 위하여 음향저항을 줄일 수 있는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 멤브레인(20)이 백 플레이트(30)에 부착되는 것을 방지하기 위하여 백 플레이트(30)에 형성한 딤플(33)에 의하여 백 플레이트 도전막(30b)의 면적이 줄어드는 것을 억제할 수 있는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 백 플레이트 제조방법은, 멤브레인 상부에 희생층을 증착하는 단계; 상기 희생층 상부에 제 1 실리콘막을 증착하는 단계; 상기 제 1 실리콘막에서 전극이 될 부분을 도핑하여 도체화하는 단계; 제 1 실리콘막에서 딤플이 될 부분을 소정의 직경으로 식각하면서 딤플의 높이만큼의 깊이로 상기 희생층의 일부까지 제거하는 단계; 상기 제 1 실리콘막 상부에 비도전막을 증착하는 단계; 상기 비도전막과 제 1 실리콘막을 하나의 포토마스크로 식각하면서 소정의 크기로 천공하여 음향 홀 하단부를 형성하는 단계; 상기 비도전막 상부에 제 2 실리콘막을 증착하는 단계; 제 2 실리콘막을 식각하여 상기 제 1 실리콘막 및 상기 비도전막과 같거나 큰 크기로 천공하여 음향 홀 상단부를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 방법은 상기 제 2 실리콘막을 증착하는 단계 이후에 잔류응력 차이에 의하여 상하로 휘는 힘을 상쇄하는데 도움이 된다면 제 2 실리콘막을 제 1 실리콘막의 전극부분과 동일한 형태로 상기 제 2 실리콘막을 도핑하여 도체화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 백 플레이트 제조방법은, 멤브레인 상부에 희생층을 증착하는 단계; 상기 희생층 상부에 제 1 비도전막을 증착하는 단계; 상기 제 1 비도전막 상부에 실리콘막을 증착하는 단계; 상기 실리콘막의 전극 부분을 도핑화여 도체화하는 단계; 상기 실리콘막과 제 1 비도전막을 하나의 포토마스크로 식각하면서 소정의 크기로 천공하여 음향홀 하단부를 형성하는 단계; 상기 실리콘막 상부에 제 2 비도전막을 증착하는 단계; 상기 제 2 비도전막을 식각하여 상기 제 1 비도전막 및 상기 실리콘막과 같거나 큰 크기로 천공하여 음향 홀 상단부를 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함한다.
상기 방법은 상기 희생층 증착 단계 이후에, 딤플을 형성할 위치에 상기 희생층을 상기 딤플의 높이만큼 식각하여 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물은, 상기한 방법들에 의해 제조되며 상기 제 1 비도전막과 상기 도전막의 접합부 및 상기 제 2 비도전막과 상기 도전막의 접합부에서 발생하는 잔류응력 차이로 인한 상하 방향으로의 휨 현상은 그 힘이 대칭적으로 동시에 발생되므로 서로 상쇄되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 백 플레이트 구조물은 상기 음향 홀 상단부가 상기 음향 홀 하단부보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서의 정전용량을 늘리고 백 플레이트(30)의 처짐을 줄이거나 방지하여 멤브레인이 진동할 공간을 늘리고 음향 센서의 주변부와 중앙부에서 멤브레인(20)과 백 플레이트(30) 간의 간격 차이를 줄이는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 음향 센서의 감도와 SNR 향상을 위하여 음향 센서 정전용량을 늘리고 멤브레인(20)이 진동할 공간을 늘리는 동시에 열 잡음을 줄이기 위하여 음향 저항을 줄일 수 있는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 멤브레인(20)이 백 플레이트(30)에 부착되는 것을 방지하기 위하여 백 플레이트(30)에 형성한 딤플(33)에 의하여 백 플레이트 전극(30b)의 면적이 줄어드는 것을 억제할 수 있는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 및 그 제조 방법이 제공된다.
도 1은 종래의 통상적인 정전용량형 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 2는 고정핀을 첨가해서 백 플레이트의 처짐을 줄인 종래기술의 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 3은 음향 챔버의 중앙에 지지대를 삽입해서 백 플레이트의 처짐을 줄인 종래기술의 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5l은 도 4의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7i는 도 6의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 제조 공정도이다.
도 2는 고정핀을 첨가해서 백 플레이트의 처짐을 줄인 종래기술의 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 3은 음향 챔버의 중앙에 지지대를 삽입해서 백 플레이트의 처짐을 줄인 종래기술의 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5l은 도 4의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7i는 도 6의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 제조 공정도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
중앙에 백 챔버(360)가 형성된 기판(350) 상부에 멤브레인 지지부(340)에 의해 지지되는 진동판인 멤브레인(320)이 형성되고, 그 상부에 백 플레이트 지지부(342)에 의해 지지되는 백 플레이트(330)가 형성되어 있다.
멤브레인(320)은 멤브레인 지지부(340)에 연결되어 지지되는 멤브레인 비도전막(321) 상에 전극 역할을 하는 멤브레인 도전막(322)이 적층되어 형성된다. 공정 간소화를 위해서 순수 실리콘막을 가지고 전극부분만 도핑하여 도체화시키는 방법을 사용할 수도 있다.
백 플레이트(330)는 백 플레이트 지지부(342) 상부에 제 1 실리콘막(332a, 332b)를 형성시키고 도핑을 실시하여 전극부분(332a)을 도체화시킨다. 그 상부에 비도전막(331)을 증착하고 마지막으로 다시 제 2 실리콘막(333a, 333b)를 증착하고 제 1 실리콘막의 전극부분(332a)과 동일한 형태로 도핑하여 제 2 실리콘막의 대응부분(333a)을 도체화시킨다. 상단 실리콘막은 전극으로 사용할 필요가 없으므로 경계면에서 잔류응력을 대칭화해서 상쇄시키는데 기여가 없다면 도핑은 생략할 수 있다.
백 플레이트(330)에는 외부의 음향을 백 플레이트(330)를 통해서 멤브레인(320)에 전달하기 위해서 다수의 음향 홀(370)이 형성되고, 백 플레이트(330) 하부 곳곳에 돌기 형태의 딤플(380)이 형성되어 음향 센서의 동작 중에 멤브레인(320)이 백 플레이트(330)에 부착되는 것을 방지한다.
이러한 상태에서 멤브레인 도전막(322)에 바이어스 전압을 걸면 멤브레인 도전막(322)과 백 플레이트 전극(332a)에 반대 극성의 전하가 축적되면서 두 전극 사이에 전기력이 발생하여 멤브레인(320)이 백 플레이트(330) 방향으로 끌려 올라가서 멤브레인(320)의 중심점을 꼭지점으로 하는 위로 볼록한 포물면이 형성된다.
외부에서 인가된 음향은 백 플레이트(330)에 형성된 다수의 음향 홀(370)을 거쳐서 멤브레인(320)에 도착하여 멤브레인(320)을 진동시킨다. 그러면 멤브레인(320)과 백 플레이트(330) 사이에 거리가 변함에 따라 정전용량이 변하고 결국 멤브레인(320)에 걸린 바이어스 전압에 의하여 정전용량의 변화에 대응하는 출력신호가 발생한다.
도 1의 경우처럼 도전막(30b) 위에 비도전막(30a)가 접합된 이중구조의 백 플레이트(30)이면 잔류응력의 차이로 휨이 발생하여 백 플레이트(30)가 멤브레인(20) 방향으로 처지는 현상이 발생하지만, 도 4의 백 플레이트(330)는 비도전막(331)의 상부와 하부에 실리콘막(332a, 332b, 333a, 333b)이 접합된 상태로 형성되어 있는 삼중구조이므로, 비도전막과 실리콘막의 잔류응력의 차이로 인하여 각 접합면에서 위 또는 아래로 휘는 힘이 발생하더라도, 그 힘이 대칭적으로 동시에 발생되므로 서로 상쇄되는 효과가 발생한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 백 플레이트(330) 구조에 의하면 잔류응력의 차이에 따라 발생하는 휨에 의해 백 플레이트(330)가 하방으로 처지는 현상이 방지될 수 있다.
한편, 음향저항을 줄이기 위해서는 음향 홀의 길이 즉, 백 플레이트(330)의 전체 두께를 줄이거나 음향 홀(370)이 반지름을 늘려야 하는데, 강성을 일정 수준으로 유지하기 위해서는 백 플레이트(330)의 전체 두께를 줄이지 말아야 하므로, 결국 도 4의 음향 센서는 음향 홀(370)의 반지름을 실질적으로 증가시키기 위한 방안으로 백 플레이트 비도전막(331)과 제 1 실리콘막(332a)을 포함하는 음향 홀 하단부분(372)의 반지름은 그대로 유지하고 백 플레이트 제 2 실리콘막(333a)을 일부 제거하여 음향 홀 상단부분(371)의 반지름만 늘리는 방식을 채용하였다.
이와 같이, 음향 홀 상단부(371)의 반지름이 증가하면 음향 홀 전체(370)의 음향저항은 실질적으로 감소하게 된다.
도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 멤스 음향 센서는, 백 플레이트 실리콘막(332a, 332b, 333a, 333b)과 비도전막(331) 사이에서 발생하는 잔류응력의 의한 휘는 힘을 대칭으로 만들어 상쇄시킴에 의해 백 플레이트(330)의 처짐을 상쇄하므로 멤브레인(320)의 진동공간을 확보하면서 백 플레이트(330)의 두께를 줄일 수 있어서 음향저항을 감소시킬 수 있다. 또한 백 플레이트 제 2 실리콘막(333a, 333b)의 음향 홀 상단부(371)의 반지름을 늘려서 음향저항을 줄임으로써 음향 센서의 열잡음을 줄일 수 있다.
도 5a 내지 도 5l는 도 4의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 제조 공정도이다.
도 5a 내지 도 5l에 개시된 백 플레이트 제조 공정은 도 4의 삼층구조 백 플레이트를 제조하면서 딤플을 제작하고 음향 홀 상단부(371)의 반지름을 음향 홀 하단부(372)보다 크게 식각하는 방법을 제시한다.
음향 센서 제조 공정은 먼저, 도 5a와 같이 멤브레인 상부에 희생층(500)을 증착하고 그 상부에 도 5b처럼 백 플레이트 제 1 실리콘막(332b)을 증착한다. 다음에 도 5c처럼 제 1 실리콘막(332b)의 전극부분(332a)에 도핑을 해서 도체화시킨다. 그리고 나서, 도 5d처럼 딤플이 생성될 자리의 실리콘막을 식각하여 제거하면서 딤플의 높이만큼의 깊이로 희생층(500)까지 식각한다. 이어서, 도 5e와 같이 제 1 실리콘막(332a, 332b)의 상부에 비도전막(331)을 증착한다.
다음, 도 5f와 같이 음향 홀의 위치에 음향 홀 하단부분(372)의 크기에 맞추어 상부의 비도전막(331)과 제 1 실리콘막(332a, 332b)를 식각하여 동일한 형태를 만들면서 음향홀 하단부를 천공하고, 도 5g와 같이 구조물 상부에 제 2 실리콘막(333b)를 증착한다. 그리고 나서, 도 5h와 같이 포토 마스크를 사용하여 음향 홀 상단부분(371)의 크기에 맞추어 제 2 실리콘막(333b)을 식각한다. 마지막으로 도 5i와 같이 희생층(500)을 제거하면 하단부 직경보다 상단부 직경이 더 큰 형태로 상하부를 갖는 구조의 음향 홀이 완성된다.
한편, 상하의 경계면의 잔류응력의 차이를 대칭으로 만들기 위해서 필요하다면 도 5j과 같이 제 1 실리콘막의 전극부분(332a)에 대응하여 제 2 실리콘막의 대응부분(333a)도 도핑하여 도체화할 수 있다. 그리고 나서, 도 5k와 같이 포토 마스크를 사용하여 음향 홀 상단부분(371)의 크기에 맞추어 제 2 실리콘막(333a)을 식각한다. 마지막으로 도 5l와 같이 희생층(500)을 제거하면 하단부 직경보다 상단부 직경이 더 큰 형태로 상하부를 갖는 구조의 음향 홀이 완성된다.
이상의 백플레이트 제조 공정에서, 제 2 실리콘막(333a, 333b)의 음향 홀 상단부(372)의 직경은 비도전막(331)의 하부에 존재하는 음향 홀 하단부(371)의 직경보다 크게 형성되어야 한다. 이때, 멤브레인(320)을 마주하는 제 1 실리콘막 전극의 면적은 음향 홀의 하단부 직경에 의하여 결정되므로 정전용량에는 변화가 없지만, 음향 홀 상단부(371)의 직경이 음향 홀 하단부(372)에 비해 크기 때문에 전체 음향저항은 줄어들게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멤스 음향 센서의 단면도이다.
중앙에 음향 챔버(360) 또는 백 챔버가 형성된 기판(350) 상부에 멤브레인 지지부(340)에 의해 지지되는 진동판인 멤브레인(320)이 형성되고, 그 상부에 백 플레이트 지지부(342)에 의해 지지되는 백 플레이트(330)가 형성되며, 멤브레인(320)은 멤브레인 지지부(340)에 연결되어 지지되는 멤브레인 비도전막(321) 상에 전극 역할을 하는 멤브레인 도전막(322)이 적층되어 형성되며, 백 플레이트(330)에는 외부의 음향을 백 플레이트(330)를 통해서 멤브레인(320)에 전달하기 위해서 다수의 음향 홀(370)이 형성되고, 백 플레이트(330) 하부 곳곳에 돌기 형태의 딤플(380)이 형성되어 음향 센서의 동작 중에 멤브레인(320)이 백 플레이트(330)에 부착되는 것을 방지하는 구조는 도 4에서의 실시예와 동일하다.
다만, 도 6의 실시예에 따르면 백 플레이트(330)가 백 플레이트 지지부(342)에 연결되어 지지구조를 형성하는 백 플레이트 비도전막(331, 334) 사이에 형성된 백 플레이트 실리콘막(332a, 332b)을 포함하는 점에서 구조적인 차이가 있다.
이러한 상태에서 멤브레인 도전막(322)에 바이어스 전압을 걸면 멤브레인 도전막(322)과 백 플레이트 실리콘막의 전극부분(332a)에 반대 극성의 전하가 축적되면서 두 전극 사이에 전기력이 발생하여 멤브레인(320)이 백 플레이트(330) 방향으로 끌려 올라가서 멤브레인(320)의 중심점을 꼭지점으로 하는 위로 볼록한 포물면이 형성된다.
외부에서 인가된 음향은 백 플레이트(330)에 형성된 다수의 음향 홀(370)을 거쳐서 멤브레인(320)에 도착하여 멤브레인(320)을 진동시킨다. 그러면 멤브레인(320)과 백 플레이트(330) 사이에 거리가 변함에 따라 정전용량이 변하고 결국 멤브레인(320)에 걸린 바이어스 전압에 의하여 정전용량의 변화에 대응하는 출력신호가 발생한다.
도 1의 경우처럼 도전막(30b) 위에 비도전막(30a)이 접합된 이중구조의 백 플레이트(30)이면 잔류응력의 차이로 휨이 발생하여 백 플레이트(30)가 멤브레인(20) 방향으로 처지는 현상이 발생하지만, 도 6의 백 플레이트(330)는 실리콘막(332a, 332b)의 상부와 하부에 비도전막(331, 334)이 접합된 상태로 형성되어 있는 삼중구조이므로, 비도전막과 실리콘막의 잔류응력의 차이로 인하여 각 접합면에서 위 또는 아래로 휘는 힘이 발생하더라도, 그 힘이 대칭적으로 동시에 발생되므로 서로 상쇄되는 효과가 발생한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도 6의 백 플레이트(330) 구조에 의하면 잔류응력의 차이에 따라 발생하는 휨에 의해 백 플레이트(330)가 아래로 처지는 현상이 방지될 수 있다.
한편, 음향 저항을 줄이기 위해서는 음향 홀의 길이 즉, 백 플레이트(330)의 전체 두께를 줄이거나 음향 홀(370)이 반지름을 늘려야 하는데, 강성을 일정 수준으로 유지하기 위해서는 백 플레이트(330)의 전체 두께를 줄이지 않아야 하므로, 결국 도 6의 음향 센서는 음향 홀(370)의 반지름을 실질적으로 증가시키기 위한 방안으로 백 플레이트 실리콘막(332a, 332b)과 제 1 비도전막(334)을 포함하는 음향 홀 하단부분(372)의 반지름은 그대로 유지하고 백 플레이트 제 2 비도전막(331) 음향 홀 상단부분(371)의 반지름만 늘리는 방식을 채용하였다.
이와 같이, 음향 홀 상단부분(371)의 반지름이 증가하면 음향 홀 전체(370)의 음향 저항은 실질적으로 감소하게 되는 것은 도 4의 실시예에서와 동일하다.
도 6에 도시된 멤스 음향 센서는, 백 플레이트 실리콘막(332a, 332b)과 비도전막(331, 334) 사이에서 발생하는 잔류응력의 의한 휘는 힘을 대칭으로 만들어 상쇄시킴에 의해 백 플레이트(330)의 처짐을 상쇄하므로 멤브레인(320)의 진동공간을 확보하면서 백 플레이트(330)의 두께를 전체적으로 늘리지 않을 수 있어서 음향저항을 감소시키는 효과가 있다.
또한 딤플(380) 부분에 대응하는 위치에 백 플레이트 실리콘막의 전극(332a)을 남겨 둘 수 있어서 음향 센서의 정전용량을 늘릴 수 있고, 백 플레이트 상부 비도전막(331)을 일부 제거하여 음향 홀 상단부(371)의 반지름을 늘려서 음향저항을 줄임으로써 음향 센서의 열잡음을 줄일 수 있다.
도 7a 내지 도 7i는 도 6의 실시예에 따른 멤스 음향 센서를 위한 백 플레이트 제조 공정도이다.
도 7a 내지 도 7i에 개시된 백 플레이트 제조 공정은 도 6의 삼층구조 백 플레이트를 제조하면서 딤플 부분에 백 플레이트 전극(332a)을 유지하면서 음향 홀 상단부(371)의 지름을 음향 홀 하단부(372)보다 크게 식각하는 방법을 제시한다.
음향 센서 제조 공정은 먼저, 도 7a와 같이 멤브레인 상부에 희생층(700)을 증착하고 도 7b와 같이 딤플을 제작할 부분에 희생층(700)을 딤플의 높이만큼 식각하여 파낸다. 그 상부에 도 7c와 같이 백 플레이트 제 1 비도전막(334)을 증착한다. 이어서, 도 7d와 같이 제 1 비도전막(334)의 상부에 실리콘막(332b)을 증착하고 도 7e와 같이 도핑하여 전극부분(332a)을 도체화한다.
다음, 도 7f와 같이 하나의 포토마스크를 가지고 상단의 실리콘막(332a)과 제 1 비도전막(334)을 동일한 형태로 식각하면서 음향 홀 하단부분(372)를 천공하고, 도 7g와 같이 구조물 상부에 제 2 비도전막(331)을 증착한다.
그리고 나서, 도 7h와 같이 포토 마스크를 사용하여 제 2 비전도막(331)을 식각하면서 음향 홀 상단부분(371)을 음향 홀 하단부분(372)의 직경보다 크게 천공한다.
마지막으로 도 7i와 같이 희생층(700)을 제거하면 하단부 직경보다 상단부 직경이 더 큰 음향 홀이 완성된다.
이때, 멤브레인(320)의 전극과 상호작용하는 중간 전극의 면적은 음향 홀의 하단부 직경에 의하여 결정되므로 정전 용량에는 변화가 없지만, 음향 홀 상단부(371)의 직경이 음향 홀 하단부(372)에 비해 크기 때문에 전체 음향 저항은 줄어들게 된다.
도 6에 도시된 삼중구조 백 플레이트(330)의 경우 딤플(380)에 대응하는 부분에 중간 실리콘막 전극(332a)이 존재하므로 딤플(380)의 형성으로 인한 정전용량의 감소가 없으며, 백 플레이트(330) 하단의 딤플(380)은 비도전막(334)으로 형성되기 때문에, 딤플(380)에 멤브레인 도전막(322)이 접촉되더라도 멤브레인(320)의 전하가 딤플(380)을 통해 방전되지는 않는다. 결과적으로 딤플(380) 부분에 대응하는 전극을 형성할 수 없는 도 1에 도시된 종래기술의 백 플레이트(30)에 비해서는 음향 센서의 정전용량이 늘어나게 되고 이에 따라 음향 센서의 감도도 개선된다.
한편, 도시하지는 않았지만, 도 1에 도시된 이중구조의 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물을 일부 변경하여 하단부보다 상단부의 직경이 더 큰 음향 홀을 구비하도록 백 플레이트 구조물을 구성할 수도 있다.
이러한 백 플레이트 구조물의 제조 방법은, 멤브레인 상부에 희생층을 증착하는 단계; 상기 희생층 상부에 실리콘막을 증착하는 단계; 상기 실리콘막의 전극부분을 도핑하여 도체화하는 단계; 실리콘막을 식각하면서 음향 홀 하단부를 천공하는 단계; 상기 실리콘막 상부에 비도전막을 증착하는 단계; 상기 비도전막을 식각하면서 상기 실리콘막의 음향 홀 하단부의 직경보다 큰 직경을 갖도록 상기 비도전막의 음향 홀의 상단부를 천공하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 따라 상기 식각된 실리콘막과 비도전막은 하단부 직경보다 더 큰 상단부 직경을 갖는 음향 홀을 형성하게 된다.
이와 같이 하단부 직경보다 더 큰 상단부 직경을 갖는 음향 홀에 의해 전체 음향저항이 낮아져서 음향 센서의 열잡음이 감소되고 SNR이 좋아질 수 있다.
한편, 이상의 실시예에서는 백 플레이트 전극형성을 위해 순수 실리콘막을 증착해서 도핑을 하는 방법을 개시하였지만, 이와 달리 비도전체막에 도전물질막을 증착해서 전극부분을 만들 수도 있다.
또한, 본 명세서에서는 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 설명하였지만 본 발명의 범위가 개시된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정이나 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이며, 따라서 본 발명의 범위는 개시된 실시에에 의해 한정되지 않고 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
310 : 에어 갭
320 : 멤브레인
321: 멤브레인 비도전막
322: 멤브레인 도전막
330 : 백 플레이트
331: 백 플레이트 비도전막
332a, 333a: 백 플레이트 실리콘막의 전극부분
332b, 333b: 백 플레이트 실리콘막의 비전극부
334: 백 플레이트 비도전막
340 : 멤브레인 지지부
342 : 백 플레이트 지지부
350 : 기판, 실리콘 기판
360 : 음향 챔버, 백 챔버
370 : 음향 홀
372 : 음향 홀 하단부
371 : 음향 홀 상단부
380 : 딤플 (Dimple)
320 : 멤브레인
321: 멤브레인 비도전막
322: 멤브레인 도전막
330 : 백 플레이트
331: 백 플레이트 비도전막
332a, 333a: 백 플레이트 실리콘막의 전극부분
332b, 333b: 백 플레이트 실리콘막의 비전극부
334: 백 플레이트 비도전막
340 : 멤브레인 지지부
342 : 백 플레이트 지지부
350 : 기판, 실리콘 기판
360 : 음향 챔버, 백 챔버
370 : 음향 홀
372 : 음향 홀 하단부
371 : 음향 홀 상단부
380 : 딤플 (Dimple)
Claims (8)
- 멤브레인 상부에 희생층을 증착하는 단계;
상기 희생층 상부에 제 1 실리콘막을 증착하는 단계;
상기 제 1 실리콘막에서 전극이 될 부분을 도핑하여 도체화하는 단계;
제 1 실리콘막에서 딤플이 될 부분을 소정의 직경으로 식각하면서 딤플의 높이만큼의 깊이로 상기 희생층의 일부까지 제거하는 단계;
상기 제 1 실리콘막 상부에 비도전막을 증착하는 단계;
상기 비도전막과 제 1 실리콘막을 하나의 포토마스크로 식각하여 소정의 크기로 천공하여 음향 홀 하단부를 형성하는 단계;
상기 비도전막 상부에 제 2 실리콘막을 증착하는 단계;
제 2 실리콘막을 식각하여 상기 제 1 실리콘막 및 상기 비도전막보다 큰 크기로 천공하여 음향 홀 상단부를 형성하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하는 단계;
를 포함하는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 제조 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 2 실리콘막을 증착하는 단계 이후에 상기 제 2 실리콘막에서 전극이 될 부분을 도핑하여 도체화하는 단계;
를 더 포함하는 멤스 음향 센서의 백플레이트 구조물 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 멤브레인 상부에 희생층을 증착하는 단계;
상기 희생층 상부에 제 1 비도전막을 증착하는 단계;
상기 제 1 비도전막 상부에 실리콘막을 증착하는 단계;
상기 실리콘막의 전극 부분을 도핑화여 도체화하는 단계;
상기 실리콘막과 제 1 비도전막을 하나의 포토마스크로 식각하여 소정의 크기로 천공하여 음향홀 하단부를 형성하는 단계;
상기 실리콘막 상부에 제 2 비도전막을 증착하는 단계;
상기 제 2 비도전막을 식각하여 상기 제 1 비도전막 및 상기 실리콘막과 같거나 큰 크기로 천공하여 음향 홀 상단부를 형성하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하는 단계;
를 포함하는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 제조 방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 희생층 증착 단계 이후에, 딤플을 형성할 위치에 상기 희생층을 상기 딤플의 높이만큼 식각하여 제거하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 음향 센서의 백 플레이트 구조물 제조 방법. - 삭제
- 삭제
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