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JP2008148283A - 柔軟バネ型振動板を有するコンデンサーマイクロホン及びその製造方法 - Google Patents

柔軟バネ型振動板を有するコンデンサーマイクロホン及びその製造方法 Download PDF

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JP2008148283A
JP2008148283A JP2007269092A JP2007269092A JP2008148283A JP 2008148283 A JP2008148283 A JP 2008148283A JP 2007269092 A JP2007269092 A JP 2007269092A JP 2007269092 A JP2007269092 A JP 2007269092A JP 2008148283 A JP2008148283 A JP 2008148283A
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Abstract

【課題】柔軟なバネ型構造の上部振動板と、バックプレートとを有する超小型コンデンサーマイクロホン及びその製造方法を提供する。
【解決手段】下部シリコン層21a及び第1絶縁層21bを形成し、第1絶縁層上にバックプレート用の上部シリコン層を形成し、上部シリコン層のパターニングにより多数の音響ホール22aを形成し、上部シリコン層上に第2絶縁層23を形成し、上部シリコン層上に導電層を形成し、導電層上に保護層を形成し、保護層上に犠牲層を形成し、犠牲層上に振動板25を蒸着し、振動板の板面を貫通する複数のエアホール25cを形成し、保護層と振動板の一領域上に電極パッドを形成し、犠牲層、保護層、導電層、上部シリコン層、第1絶縁層、下部シリコン層をエッチングして除去し、振動板と上部シリコン層との間にエアーギャップ24を形成する各形成段階を含む製造方法である。これにより感度の向上、サイズの低減が可能となる。
【選択図】図2b

Description

本発明は、コンデンサーマイクロホン及びその製造方法に関し、より具体的には、柔軟なバネ型振動板を具備した超小型コンデンサーマイクロホン及びその製造方法に関する。
一般的に、コンデンサーマイクロホンは、外部振動音圧により振動板が震えて発生する静電容量の変化を電気的信号に出力する原理を利用するものであって、マイク、電話機、携帯電話機、及びビデオテープレコーダーなどに付着して使用する。
図1aは、従来技術による円板型振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図であり、図1bは、従来技術によるシワ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図である。
図1a及び図1bを参照すれば、従来のコンデンサーマイクロホンは、シリコンウェーハ11、シリコンウェーハ11上に形成されたバックプレート12、バックプレート12の上部にエアーギャップ13を間に置いて形成された振動板14を含む。バックプレート12には、バックプレート12の板面を貫通し、前記エアーギャップ13と連通する多数の音響ホール12aが形成されていて、バックプレート12と振動板14、15との間には絶縁層16が形成されている。
図1aに示された振動板14は、円板形状であり、図1bに示された振動板15は、シワ構造を有する。一般的に、振動板14、15は、小さい外部振動にも容易に震えることができ、マイクロホンの感度を向上させるために柔軟に形成することが好ましく、従来、円板型やシワ構造を用いて機械的な柔軟性を得るようにしていた。
しかし、前述した構造のコンデンサーマイクロホンは、振動板を十分に振動させるために一定値以上のエネルギーを必要とする。図1aに示された円板型振動板14より、図1bに示されたシワ構造で振動板15を形成することによって、振動板の柔軟性を改善することができるが、これらのコンデンサーマイクロホンの振動板を振動させるためには、充分に大きな入力音圧が与えられなければならない。
また、前述したような構造を有する従来のコンデンサーマイクロホンは、半導体MEMS工程を用いて1mm以下に小型化する時に、低い周波数帯域で性能が劣化するという短所があり、しかも、コンデンサーマイクロホンの一般的な周波数応答特性は、振動板の面積が広い場合には、低い周波数帯域で高い感度を示し、面積が狭い場合には、高い周波数帯域までカバーすることができるが、感度が劣化するという短所がある。
韓国登録特許第10−0409273号明細書 韓国特許公開第10−2004−0063964号明細書 韓国登録特許第10−0548162号明細書 Sensors and Actuators A 103, 2003, p.42-p.47
従って、本発明は、前述したような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、柔軟バネ型振動板を有するコンデンサーマイクロホン及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、柔軟バネ型振動板を用いて可聴周波数帯域をカバーしながら非常に高い感度を示すコンデンサーマイクロホン及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るコンデンサーマイクロホンの製造方法は、下部シリコン層及び第1絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層上にバックプレートとして使われる上部シリコン層を形成する段階と、前記上部シリコン層をパターニングし、多数の音響ホールを形成する段階と、前記音響ホールが形成された後、前記上部シリコン層上に第2絶縁層を形成する段階と、前記音響ホールが形成された前記上部シリコン層上に導電層を形成し、前記導電層上に保護層を形成する段階と、前記保護層上に犠牲層を形成する段階と、前記犠牲層上に振動板を蒸着し、前記振動板の板面を貫通する複数のエアホールを形成する段階と、前記エアホールを含む振動板が形成された後、前記保護層及び前記振動板の一部の領域上に電極パッドを形成する段階と、前記振動板と前記上部シリコン層との間にエアーギャップを形成するために、前記犠牲層、前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階と、を含む。
好ましくは、コンデンサーマイクロホンの製造方法では、前記下部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記上部シリコン層からなるSOIウェーハを利用する。前記音響ホールは、DRIE(deep reactive ion etching)工程を用いて形成する。前記第2絶縁層を形成する段階は、前記音響ホールが形成された前記上部シリコン層上に化学気相蒸着方法で前記第2絶縁層を蒸着する段階と、前記上部シリコン層の周り領域にのみ前記第2絶縁層が残されるように、写真工程を用いて前記音響ホール形成領域に形成された前記第2絶縁層をパターニングする段階と、を含む。
前記犠牲層を形成する段階は、前記犠牲層を蒸着した後、前記音響ホールにより形成された屈曲領域を平坦化するために平坦化物質をスピンコーティングする段階を含む。前記平坦化物質は、SOG(silicon on glass)である。前記スピンコーティングの回数を調節して前記犠牲層の厚さを変化させることによって、前記振動板と前記バックプレートとの間に形成された前記エアーギャップの高さを調節することができる。前記振動板は、シリコン窒化物、ポリイミド及びポリシリコンのうち少なくとも1つと金属物質を利用する。前記振動板に前記エアホールを形成するためにエッチング工程を利用する。
前記犠牲層、前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階は、DRIE工程を用いて前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階と、ウェットエッチング工程を用いて前記犠牲層をエッチングする段階と、を含む。前記犠牲層のエッチング時、前記振動板の変形を防止するために、前記犠牲層をエッチングする前に前記振動板上にフォトレジスト層をコーティングする段階と、前記犠牲層がエッチングされた後、前記フォトレジスト層を除去する段階と、をさらに含む。
本発明の他の態様に係るコンデンサーマイクロホンは、下部シリコン層上に形成された第1絶縁層と;前記第1絶縁層上に形成され、板面を貫通する多数の音響ホールが形成されたバックプレートと;前記バックプレートに形成された前記音響ホールが閉塞されないように前記バックプレートの周り領域に形成された第2絶縁層と;前記第2絶縁層と接触する接触領域と、該接触領域から上向き突出し、前記バックプレートと共にエアーギャップを形成する振動領域と、前記振動領域の板面を貫通する多数のエアホールとを備える振動板と;を含む。
好ましくは、前記エアホールは、前記エアーギャップ及び前記音響ホールと連通するように形成される。前記バックプレートは、シリコン層を利用する。前記振動板は、シリコン窒化物、ポリイミド及びポリシリコンのうち少なくとも1つと金属物質を用いて単層または多層で形成される。前記金属物質は、アルミニウム、金、チタンタングステンTiW及び銅のうち1つを利用する。
本発明の構成によれば、多数のエアホールが形成された柔軟バネ型振動板を含むことによって、外部入力音圧により一層敏感に振動するようになり、出力電圧をさらに高めることができる。
また、本発明による製作工程を用いて振動板を形成する場合には、小さいサイズに製作されても、非常に高い感度を持って可聴周波数帯域を全てカバーすることができる。本発明によるコンデンサーマイクロホンの製作は、シリコンウェーハを利用するので、CMOSなどの駆動回路と集積が可能であるだけでなく、携帯電話、PDA、PMPなどのモバイル機器にも使用可能である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を具体的に説明する。
図2aは、本発明による柔軟バネ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す切欠斜視図であり、図2bは、本発明による柔軟なバネ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図である。説明の便宜のために、音響ホール及びエアホールなど一部構成要素の断面線を省略した。
図2a及び図2bを参照すれば、本発明によるコンデンサーマイクロホン20は、下部シリコン層21a、第1絶縁層21b及びバックプレートとして使われる上部シリコン層22を含むSOIウェーハ21と、バックプレート22の周り方向に沿って形成される第2絶縁層23と、バックプレート22の上部に形成される振動板25と、を含む。
振動板25は、第2絶縁層23と接触する接触領域25bと、該接触領域25bから上向き突出した振動領域25aと、を含む。振動板25の振動領域25aとバックプレート22との間には、エアーギャップ24が形成され、振動板25の振動領域25aには、エアーギャップ24と連通し、板面を貫通する多数のエアホール25cが形成される。バックプレート22には、バックプレート22の板面を貫通し、エアーギャップ24と連通する多数の音響ホール22aが形成される。エアホール25cの形成形態(大きさ、反復個数)及び音響ホール22aの個数、大きさ及び分布などを調節することによって、多様な周波数特性を有するコンデンサーマイクロホンの製作が可能である。
前述した構成を有するコンデンサーマイクロホンの製造工程を図3を参照して具体的に説明する。図3a乃至図3hは、図2bのコンデンサーマイクロホンの製造工程を順次に示す工程図である。
本発明によるコンデンサーマイクロホンを製造するために、図3aを参照すれば、まず、SOIウェーハ21を準備する。SOI(silicon on insulator)ウェーハ21は、下部シリコン層21a、第1絶縁層21b、及びバックプレートとして使われる上部シリコン層(以下、バックプレートという)22で構成される。
図3bを参照すれば、SOIウェーハ21の上部シリコン層からなるバックプレート22上に、バックプレート22に音響ホール22aを形成するために上部シリコン層22をパターニングする。パターニングするために、ディープ・レアクティブイオン・エッチング(DRIE;deep reactive ion etching)装備を利用する。音響ホール領域がパターニングされた後、パターニングされたバックプレート22上に絶縁層23を形成する。絶縁層23は、化学気相蒸着方法CVDを用いて蒸着する。
図3cを参照すれば、絶縁層23が形成された後、音響ホール22a領域が形成されていないバックプレート22の外郭にのみ絶縁層23が残されるようにパターニングする。この時、絶縁層23は、写真工程を用いてパターニングする。
絶縁層23がパターニングされた後に、図3dを参照すれば、パターニングされた絶縁層23及びバックプレート22上に導電層31を形成する。本実施例で、導電層31は、アルミニウムAl、金Au、チタンタングステンTiWなどのような金属物質を使用し、また、表面に電荷をインプラントする方法(implantation)などを用いて導電層31を形成することができる。前記導電層31は、バックプレート22の電極であり、コンデンサーマイクロホンに電圧を印加する下部電極層として使われる。導電層31上には、導電層31を保護する保護層32が形成される。
保護層32が形成された後に、図3eを参照すれば、保護層32上に犠牲層33を形成する。保護層32上に形成された犠牲層33は、前記音響ホール22aが形成された領域をカバーすることができるように形成されるものであり、保護層32の周り方向に沿って保護層32の外郭領域が露出されるように形成される。犠牲層33は、最終段階でエッチングすることを考慮して保護層32とエッチング選択性が良い物質を使用する。犠牲層33は、シリコン酸化膜、フォトレジスト、ポリイミドのような多様なポリマー系列、またはAlのような金属物質のうち1つを使用することができる。また、犠牲層33を形成する時は、音響ホール22a領域上に形成される犠牲層33の屈曲を平坦化するために、SOG(silicon on glass)を使用することが好ましいが、フォトレジストのように高い温度の工程を進行することができない場合には、ドライフィルムレジスト(DFR、Dry Film Resist)のような物質を使用することができる。前記犠牲層33に使われる平坦化物質は、スピンコーティング(spin coating)方法を用いて数回コーティングされる。平坦化物質をスピンコーティングする回数を調節することによって、犠牲層33の厚さを調節することができ、犠牲層33の厚さを調節することによって、振動板25の振動時、振動板25とバックプレート22との間に形成されるエアーギャップ24の高さを調節することができる。エアーギャップ24(図3h参照)の高さを調節することによって、振動板25とバックプレート22とが互いに当接しないように充分な空間を具備することができる。
図3fを参照すれば、犠牲層33の上部には、犠牲層33を取り囲む振動板25が形成される。振動板25は、保護層32と接触する接触領域25bと、犠牲層33の形状によって形成された振動領域25aとを有する。振動板25は、金属物質及びシリコン窒化物を含む。本実施例では、アルミニウム金属物質及びシリコン窒化物の2層で形成されている。一方、振動板25は、金属物質及びシリコン窒化物、ポリイミド、ポリシリコンなど多様な物質で構成されることができ、金属物質としては、アルミニウムだけでなく、金、チタンタングステン、銅など多様な物質を利用することができる。犠牲層33上に振動板25が形成された後に、各工程を通じて振動板25の振動領域25aの板面を貫通する多数のエアホール25cが形成される。多数のエアホール25cを形成することによって、前記振動板25は、柔軟性を有する弾性変形可能なバネ構造となる。エアホール25cは、ホール形態及び振動領域25aの中心に沿って放射状に形成されたスロット形態を有するように形成することができる。
図3gを参照すれば、次の段階では、(+)電極及び(−)電極で構成される電極パッド34a、34bを形成する。電極パッド34aは、導電層31に電気的に連結されるように保護層32上に形成され、電極パッド34bは、振動板25に電気的に連結されるように形成される。前記電極パッド34a、34bを形成するために、保護層32及び振動板25の接触領域25bの一部をエッチングした後に、その上部にアルミニウム、金、銀など表面抵抗の小さい導電物質を蒸着し、パターニングする工程を行う。
図3hを参照すれば、電極パッド34a、34bが形成された後に、SOIウェーハ21の下部シリコン層21a、第1絶縁層21b、導電層31、保護層32及び犠牲層33をエッチングする。下部シリコン層21a、第1絶縁層21b、導電層31及び保護層32は、DRIE(deep reactive ion etching)工程を用いてエッチングし、犠牲層33は、ウェットエッチング工程を用いて除去する。下部シリコン層21a、第1絶縁層21b及び導電層31が除去されることによって、バックプレート22として使われる上部シリコン層に多数の音響ホール22aが形成され、犠牲層33が除去されることによって、音響ホール22a及びエアホール25cと連通するエアーギャップ24が形成される。エアーギャップ24を形成する段階は、犠牲層33の除去時に発生し得る振動板25の反りを防止するために、振動板25上にフォトレジストを塗布する段階と、犠牲層33が除去された後に、ドライエッチング工程を用いて振動板25上に塗布された前記フォトレジストを除去する段階と、をさらに含む。
前述した工程順序によって製作されたコンデンサーマイクロホン20は、振動板25の厚さまたは振動領域25aの直径、幅、厚さ、エアホール25cの長さ及び反復回数、バックプレート22に形成された音響ホール22aの個数、大きさ及び分布などを調節することによって、周波数特性及び感度を多様に変化させることができる。前述した製造工程で製作された柔軟バネ構造の振動板25を利用する場合には、既存の円板型振動板またはシワ構造の振動板を利用したコンデンサーマイクロホンに比べて柔軟であるため、外部入力音圧により一層敏感に振動するようになり、出力電圧をさらに高めることができる。
図4aは、従来技術による円板型振動板の柔軟性を示す図であり、図4bは、本発明による柔軟バネ振動板の柔軟性を示す図である。
図4aを参照すれば、従来技術による円板型振動板を使用する場合の変位dmaxは、0.7314E−4μm/Paであり、図4bを参照すれば、本発明による振動板を使用する場合の変位dmaxは、0.01826μm/Paである。これらは、同じ条件(例えば、振動板の厚さ、材質、音響ホールの個数、印加電圧など)下で実験を行った結果であり、本発明により製造された振動板を使用する場合には、従来技術により製造された振動板に比べて振動範囲dが約250倍大きいことを確認することができる。以上の実験結果から、従来、コンデンサーマイクロホンが一定の大きさ以下(例えば、1mm以下)に小さくなる場合には、感度が低くくなり、低い周波数帯域での性能が非常に良くないが、本発明により製作された柔軟バネ振動板を含むコンデンサーマイクロホンは、1mm以下の小さいサイズに製作される場合にも、非常に高い感度を有するので、可聴周波数帯域を全てカバーすることができる。
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。
従来技術による円板型振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図である。 従来技術によるシワ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図である。 本発明による柔軟バネ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す部分切欠斜視図である。 本発明による柔軟なバネ構造の振動板を有するコンデンサーマイクロホンの構造を示す断面図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第1工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第2工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第3工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第4工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第5工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第6工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第7工程を示す図である。 図2bに示す構造のコンデンサーマイクロホンの製造工程の第8工程を示す図である。 従来技術による円板型振動板の柔軟性を示す図である。 本発明による柔軟バネ型振動板の柔軟性を示す図である。
符号の説明
20 コンデンサーマイクロホン
21 SOIウェーハ
21a 下部シリコン層
21b 第1絶縁層
22 バックプレート
22a 音響ホール
23 第2絶縁層
24 エアーギャップ
25 振動板
25a 振動領域
25b 接触領域
25c エアホール
31 導電層
32 保護層
33 犠牲層
34a、34b 電極パッド

Claims (16)

  1. 下部シリコン層及び第1絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層上にバックプレートとして使われる上部シリコン層を形成する段階と、
    前記上部シリコン層をパターニングし、多数の音響ホールを形成する段階と、
    前記音響ホールが形成された後、前記上部シリコン層上に第2絶縁層を形成する段階と、
    前記音響ホールが形成された前記上部シリコン層上に導電層を形成し、前記導電層上に保護層を形成する段階と、
    前記保護層上に犠牲層を形成する段階と、
    前記犠牲層上に振動板を蒸着し、前記振動板の板面を貫通する複数のエアホールを形成する段階と、
    前記エアホールを含む振動板が形成された後、前記保護層及び前記振動板の一部の領域上に電極パッドを形成する段階と、
    前記振動板と前記上部シリコン層との間にエアーギャップを形成するために、前記犠牲層、前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階と、
    を含むことを特徴とするコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  2. 前記下部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記上部シリコン層からなるSOIウェーハを利用することを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  3. 前記音響ホールは、DRIE(deep reactive ion etching)工程を用いて形成することを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  4. 前記第2絶縁層を形成する段階は、
    前記音響ホールが形成された前記上部シリコン層上に化学気相蒸着方法で前記第2絶縁層を蒸着する段階と、
    前記上部シリコン層の周り領域にのみ前記第2絶縁層が残されるように、写真工程を用いて前記音響ホール形成領域に形成された前記第2絶縁層をパターニングする段階と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  5. 前記犠牲層を形成する段階は、前記犠牲層を蒸着した後、前記音響ホールにより形成される屈曲領域を平坦化するために平坦化物質をスピンコーティングする段階を含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  6. 前記平坦化物質は、SOG(silicon on glass)であることを特徴とする請求項5に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  7. 前記スピンコーティングの回数を調節して前記犠牲層の厚さを変化させることによって、前記振動板と前記バックプレートとの間に形成される前記エアーギャップの高さを調節することができることを特徴とする請求項6に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  8. 前記振動板は、シリコン窒化物、ポリイミド及びポリシリコンのうち少なくとも1つと金属物質を利用することを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  9. 前記振動板に前記エアホールを形成するためにエッチング工程を利用することを特徴とする請求項8に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  10. 前記犠牲層、前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階は、
    DRIE工程を用いて前記保護層、前記導電層、前記上部シリコン層、前記第1絶縁層及び前記下部シリコン層をエッチングする段階と、ウェットエッチング工程を用いて前記犠牲層をエッチングする段階と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  11. 前記犠牲層のエッチング時、前記振動板の変形を防止するために、前記犠牲層をエッチングする前に前記振動板上にフォトレジスト層をコーティングする段階と;前記犠牲層がエッチングされた後、前記フォトレジスト層を除去する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載のコンデンサーマイクロホンの製造方法。
  12. 下部シリコン層上に形成された第1絶縁層と、
    前記第1絶縁層上に形成され、板面を貫通する多数の音響ホールが形成されたバックプレートと、
    前記音響ホールが閉塞されないように前記バックプレートの周り領域に形成された第2絶縁層と、
    前記第2絶縁層と接触する接触領域と、該接触領域から上向き突出し、前記バックプレートと共にエアーギャップを形成する振動領域と、前記振動領域の板面を貫通する多数のエアホールを備える振動板と、を含むことを特徴とするコンデンサーマイクロホン。
  13. 前記エアホールは、前記エアーギャップ及び前記音響ホールと連通することを特徴とする請求項12に記載のコンデンサーマイクロホン。
  14. 前記バックプレートは、シリコン層を利用することを特徴とする請求項12に記載のコンデンサーマイクロホン。
  15. 前記振動板は、シリコン窒化物、ポリイミド及びポリシリコンのうち少なくとも1つと金属物質を用いて単層または多層で形成されることを特徴とする請求項12に記載のコンデンサーマイクロホン。
  16. 前記金属物質は、アルミニウム、金、チタンタングステンTiW及び銅のうち1つを利用することを特徴とする請求項15に記載のコンデンサーマイクロホン。
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