KR20110124702A - 음향 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백 플레이트를 이용한 보호막으로 실리콘 기판의 윗면 외주부를 보호하는 것으로서, 해결수단으로서는, 백 챔버(35)를 갖는 실리콘 기판(32)의 상방에 도전성의 다이어프램(33)을 배설하고, 다이어프램(33)을 앵커(37)로 지지시킨다. 실리콘 기판(32)의 윗면에는, 간극을 띄우고 다이어프램(33)을 덮도록 하여 절연성의 플레이트부(39)를 고정한다. 플레이트부(39)의 하면에는 도전성의 고정 전극막(40)을 마련하여 백 플레이트(34)가 구성된다. 고정 전극막(40)과 다이어프램(33) 사이의 정전 용량의 변화는 전기 신호로서 고정측 전극 패드(45) 및 가동측 전극 패드(46)로부터 외부에 출력된다. 플레이트부(39)의 외주에는 플레이트부(39)와 연속하여 보호막(53)이 마련되어 있고, 보호막(53)은 실리콘 기판(32)의 윗면 외주부를 덮고, 보호막(53)의 외주는 실리콘 기판(32)의 윗면 외주와 일치하고 있다.

Description

음향 센서 및 그 제조 방법{ACOUSTIC SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 음향 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제조되는 MEMS 방식의 음향 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다.
MEMS 방식의 음향 센서로서는, 특허 문헌 1에 개시된 것이나 특허 문헌 2에 개시된 것이 있다.
(특허 문헌 1에 관해)
도 1(A) 및 도 1(B)는, 특허 문헌 1의 도 7 및 도 8에 개시된 음향 센서를 패키지 내에 실장한 상태를 도시하는 개략 단면도이다. 이 음향 센서(11)는, 백 챔버(13)가 개구된 실리콘 기판(12)의 위에 다이어프램(14)(진동 박막)을 붙이고, 다이어프램(14)을 덮도록 하여 실리콘 기판(12)의 위에 백 플레이트(15)를 마련하고 있다. 또한, 이와 같은 음향 센서(11)는, 통상은 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시하는 바와 같이 IC 회로(16)와 함께 패키지(17) 내에 실장하고, 음향 센서(11)의 전극 패드(18)와 IC 회로(16)를 본딩 와이어(19)로 결선하고, 또한 IC 회로(16)를 본딩 와이어(20)로 패키지(17)의 전극부(21)에 결선한다.
그러나 이 음향 센서(11)에서는, 실리콘 기판(12)의 윗면 외주부가 완전하게 노출하고 있다. 따라서 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, 음향 센서(11)와 IC 회로(16)를 연결하고 있는 본딩 와이어(19)가 어떠한 부하에 의해 하방으로 구부러진 경우에는, 본딩 와이어(19)가 실리콘 기판(12)에 접촉하여 음향 센서(11)에 단락이 발생할 우려가 있다. 또한, 본딩 와이어(19)가 구부러져 있지않은 경우에도, 도 1(B)에 도시하는 바와 같이 본딩 와이어(19)와 실리콘 기판(12)의 윗면의 사이에 이물(22)(예를 들면, 미세한 먼지 등)이 끼이면, 이물(22)을 통하여 전극 패드(18)와 실리콘 기판(12)의 사이에 단락이 발생할 우려가 있다.
IC 회로(16)에서는, 수지(23)로 전체를 밀봉하고 있기 때문에 본딩 와이어(19)가 수지(23)에 의해 고정되고 본딩 와이어(19)가 구부러지거나 이물이 침입하거나 할 우려가 없지만, 수음부(受音部)인 음향 센서(11)에서는, 수지봉지(樹脂封止)하면 음향 진동을 차단하게 되기 때문에 수지로 봉지할 수가 없다.
또한, 특허 문헌 1의 도 4 및 도 5에 개시된 음향 센서에서는, 실리콘 기판의 표면을 절연 피막(SiO2막)으로 덮고 있는데, 절연 피막은 얇은 것이기 때문에 단락 방지를 위해서는 신뢰성이 낮았다. 또한, 특허 문헌 1의 도 6에 도시된 단면도에서는, 백 플레이트가 실리콘 기판의 가장자리까지 늘어나 있다. 그러나 이것은 특허 문헌 1의 도 4의 단면도인 것으로부터 알 수 있는 바와 같이 윗면이 노출하고 있는 실리콘 기판의 외주부를 생략한 도면이고, 실제로 백 플레이트가 실리콘 기판의 가장자리까지 늘어나 있는 것은 아니다.
(특허 문헌 2에 관하여)
특허 문헌 2의 도 2에는, 실리콘 기판의 윗면의 바깥둘레까지 구조물을 마련하여 실리콘 기판의 윗면을 덮은 것이 개시되어 있다. 그러나 이 음향 센서에서는, 백 플레이트(상층 도전막을 마련한 플레이트)와는 다른 부재(표층 보호막 등)에 의해 실리콘 기판의 윗면 외주부를 덮고 있다. 그 때문에, 제조시의 공정수가 증가하고, 생산성이 나쁘다는 문제가 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개 2008-301434호 공보
특허 문헌 2 : 일본 특개 2009-89097호 공보
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은 백 플레이트를 이용한 보호막으로 실리콘 기판의 윗면 외주부를 보호하는 것에 있다.
본 발명에 관한 음향 센서는, 백 챔버를 갖는 반도체 기판과 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 도전성의 다이어프램과, 간극을 띄우고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 윗면에 고정된 절연성의 고정막과, 상기 다이어프램과 대향하는 위치에서 상기 고정막에 마련한 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막과 상기 다이어프램 사이의 정전 용량의 변화를 전기 신호로서 외부에 출력하기 위한 전극 단자를 구비한 음향 센서로서, 상기 반도체 기판의 윗면 외주부가 상기 고정막과 같은 재료로 이루어지는 보호막에 의해 덮여 있고, 상기 보호막의 외주가 상기 반도체 기판의 윗면 외주와 일치하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 음향 센서에서는, 반도체 기판의 윗면 외주부로부터 그 외주(단테두리)까지를 고정막과 같은 재료로 이루어지는 절연성의 보호막으로 덮고 있기 때문에 보호막의 두께를 크게 할 수 있고, 반도체 기판의 윗면 외주부에서의 절연성을 향상시킬 수 있다. 따라서 전극 단자에 연결한 본딩 와이어가 구부러져서 반도체 기판의 윗면에 접촉하거나, 본딩 와이어와 반도체 기판의 윗면 사이에 이물이 끼거나 하여 단락을 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 보호막은 고정막과 같은 재료이고, 보호막을 고정막과 동일 공정에서 형성할 수 있기 때문에 보호막을 마련함에 의해 음향 센서의 제조 공정수가 증가하는 일이 없고, 생산성을 저하시키는 일이 없다.
본 발명에 관한 음향 센서의 한 실시양태는, 상기 보호막의 적어도 일부가 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지고 상기 보호막보다도 얇은 밀착층을 개재시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 반도체 기판의 사이에 보호막보다도 얇은 박막의 밀착층을 형성함으로써, 보호막에 발생하는 막(膜) 응력을 저감시킬 수 있고, 막 응력에 의한 보호막의 박리를 경감할 수 있다. 게다가, 보호막을 박막으로 하고 있기 때문에 제조 공정에서 웨이퍼 위에 복수개의 음향 센서를 제작한 후, 밀착층이 형성되어 있는 개소(個所)에서 레이저다이싱에 의해 개개의 음향 센서로 절리(切離)하는 경우에도 생산성이 저하되기 어렵다.
본 발명에 관한 음향 센서의 다른 실시양태는, 상기 보호막의 외주부가 상기 밀착층을 개재(介在)시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되고, 상기 보호막의 내주부가 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지는 후막층을 개재시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막의 박리를 경감할 수 있고, 게다가, 웨이퍼에 형성된 음향 센서를 레이저다이싱에 의해 개개로 절리하는 경우에도 스루풋이 저하되기 어렵다. 또한, 내주부에는 후막부를 형성하고 있고 보호막 표면의 높이가 높아져 있기 때문에, 이 부분에 전극 단자를 마련할 수 있다. 또한, 상기 후막층은 상기 밀착층과 같은 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 전극 단자가 상기 후막층이 형성되어 있는 영역에서 상기 보호막에 마련되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 전극 단자와 반도체 기판의 윗면과의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 전극 단자와 반도체 기판 사이의 기생 용량을 작게 할 수 있고, 기생 용량에 의한 음향 센서의 감도 저하를 작게 할 수 있고 음향 특성이 향상한다.
본 발명에 관한 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 밀착층 및 상기 후막층이, 절연성 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 반도체 기판 사이의 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 보호막과 상기 고정막이 연속하여 있고, 상기 보호막과 상기 고정막과의 경계 영역은, 상기 반도체 기판의 윗면에 밀착하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 고정막이 연속하고 있어도 밀착층이나 후막층을 공동 부분으로부터 분리할 수 있고, 음향 센서의 제조를 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법은, 백 챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 도전성의 다이어프램과, 간극을 띄우고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 윗면에 고정된 절연성의 고정막과 상기 다이어프램과 대향하는 위치에서 상기 고정막에 마련한 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막과 상기 다이어프램 사이의 정전 용량의 변화를 전기 신호로서 외부에 출력하기 위한 전극 단자를 구비한 음향 센서의 제조 방법으로서, 상기 반도체 기판의 상면에 퇴적시킨 희생층의 내부에 다이어프램을 형성하는 공정과, 상기 희생층을 에칭하여 표면이 상기 고정막의 내면 형상을 한 공간 성형부를 형성하는 공정과 정형(整形)된 상기 희생층의 위에 상기 고정막을 형성함과 함께, 외주가 상기 반도체 기판의 윗면 외주와 일치하도록 하여 상기 고정막과 같은 재료로 이루어지는 보호막에 의해 상기 반도체 기판의 윗면 외주부를 덮는 공정과, 상기 반도체 기판에 상기 백 챔버를 형성하는 공정과, 상기 희생층을 에칭에 의해 제거하여 상기 다이어프램을 공간에서 지지시킴과 함께, 상기 다이어프램과 상기 고정막의 내면 사이에 간극을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법에서는, 반도체 기판의 윗면 외주부로부터 그 외주(단연)까지를 고정막과 같은 재료로 이루어지는 절연성의 보호막으로 덮고 있기 때문에, 보호막의 두께를 크게 할 수 있고 반도체 기판의 윗면 외주부에서의 절연성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 전극 단자에 연결한 본딩 와이어가 구부러저서 반도체 기판의 윗면에 접촉하거나, 본딩 와이어와 반도체 기판의 윗면 사이에 이물이 끼이거나 하여 단락을 발생시키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 보호막은 고정막과 같은 재료이고, 보호막을 고정막과 동일 공정에서 형성할 수 있기 때문에, 보호막을 마련함에 의해 음향 센서의 제조 공정수가 증가하는 일이 없고, 생산성을 저하시키는 일이 없다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법의 한 실시양태는, 상기 공간 성형부를 형성한 후, 상기 반도체 기판의 윗면 외주부의 적어도 일부에 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지고 상기 보호막보다도 얇은 밀착층을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다. 특히, 상기 밀착층의 두께는, 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격보다도 작은 것이 바람직하다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 반도체 기판의 사이에 보호막보다도 얇은 박막의 밀착층을 형성함으로써, 보호막에 발생하는 막 응력을 저감시킬 수 있고, 막 응력에 의한 보호막의 박리를 경감할 수 있다. 게다가 밀착층을 박막으로 하고 있기 때문에 제조 공정에서 웨이퍼 위에 복수개의 음향 센서를 제작한 후, 밀착층이 형성되어 있는 부분으로 레이저다이싱에 의해 개개의 음향 센서에 분리한 경우에도 스루풋이 저하되기 어렵다. 또한, 밀착막은 공간 성형부 형성 후에 공간 성형부와는 다르게 마련되어 있기 때문에 밀착막을 용이하게 박막상에 형성할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법의 다른 실시양태는, 상기 공간 성형부를 형성할 때, 상기 희생층에 의해 상기 공간 성형부와 분리하여 상기 공간 성형부의 외측에 후막층을 형성하고, 계속해서, 상기 후막층의 외측에 상기 밀착층을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 공간 성형부와 동시에 희생층으로부터 후막층을 형성할 수 있기 때문에 음향 센서의 제조 공정을 간략하게 할 수 있다. 또한, 상기 밀착층과 상기 후막층은 같은 재료에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법의 또 다른 실시양태는, 상기 밀착층 및 상기 후막층이 절연성 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 반도체 기판 사이의 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 또 다른 실시양태는, 상기 후막층의 두께가 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격보다도 큰 것을 특징으로 하고 있다. 특히, 상기 후막층의 두께는 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격과 상기 반도체 기판의 윗면과 상기 다이어프램 사이의 간격과의 합의 거리와 동등한 것이 바람직하다. 이러한 실시양태에 의하면, 고정막 내에 공동부분을 형성하기 위한 희생층을 이용하여 후막층을 형성할 수 있고, 음향 센서의 제조를 용이하게 할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제조 방법의 또 다른 실시양태는, 상기 보호막과 상기 고정막을 연속시켜서 동시에 형성함과 함께 상기 보호막과 상기 고정막과의 경계 영역을 상기 반도체 기판의 윗면에 밀착시키는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 보호막과 고정막이 연속하고 있어도 밀착층이나 후막층을 공동부분으로부터 분리할 수 있고, 희생층을 에칭하여 공동부분을 형성할 때에 밀착층이나 후막층이 에칭되는 것을 막을 수 있고, 음향 센서의 제조를 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다.
도 1(A) 및 도 1(B)는, 특허 문헌 1에 개시된 음향 센서를 패키지 내에 실장한 상태를 도시하는 단면도.
도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 음향 센서의 분해 사시도.
도 3은, 실시 형태 1의 음향 센서의 단면도.
도 4(A) 내지 도 4(D)는, 실시 형태 1의 음향 센서의 제조 공정을 설명하는 개략 단면도.
도 5(A) 내지 도 5(C)는, 실시 형태 1의 음향 센서의 제조 공정을 설명하는 개략 단면도로서, 도 4(D)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞은 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 설계 변경할 수 있다.
우선, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 형태 1에 의한 음향 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 2는 음향 센서(31)를 일부 분해하여 도시하는 사시도이다. 도 3은, 음향 센서(31)의 구조를 도시하는 대각 방향에서의 단면도이다.
이 음향 센서(31)는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 미소한 정전 용량형 소자이고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)(반도체 기판)의 윗면에 앵커(37)를 통하여 다이어프램(33)을 마련하고, 그 위에 미소 갭(공극)을 통하여 백 플레이트(34)를 고정한 것이다.
실리콘 기판(32)은, 단결정 실리콘으로 이루어진다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)은 사각형판 형상으로 형성되어 있고, 표면부터 이면에 관통한 각 구멍 형상의 백 챔버(35)를 갖고 있다. 백 챔버(35)는 내주면이 수직면으로 되어 있어도 좋고, 테이퍼 형상으로 경사하여 있어도 좋다. 또한, 백 챔버(35)의 하면(下面) 개구는, 음향 센서(31)를 패키지 내에 실장한 때에, 패키지에 의해 막혀 진다(도 1 참조).
또한, 실리콘 기판(32)의 윗면에는 다이어프램(33)의 들보부(梁部)(36a)를 하면에서 지지하기 위한 4개의 앵커(37)가 마련되어 있고, 또한 백 챔버(35) 및 앵커(37)를 둘러싸도록 하여 토대부(41)(후막층)가 형성되어 있다. 특히, 앵커(37)는, 백 챔버(35)의 대각 방향에서 토대부(41)의 내주연을 잘라 들어가도록 형성된 오목소(凹所) 내에 위치하고 있다. 또한, 실리콘 기판(320)의 윗면의 토대부(41)보다도 외측의 영역은 토대부(41)보다도 얇은 밀착층(47)에 의해 덮여 있고, 밀착층의 외주 단연(端緣)은 실리콘 기판(32)의 단연과 일치하고 있다. 앵커(37) 및 토대부(41)는, SiO2에 의해 형성되어 있다. 밀착층(47)는, SiO2 또는 폴리실리콘에 의해 형성되어 있다.
다이어프램(33)은, 막두께의 작은 폴리실리콘 박막에 의해 형성되어 있고, 도전성을 갖고 있다. 다이어프램(33)은, 사각형 형상을 한 진동 박막(36b)의 네 모퉁이로부터 대각 방향 외측을 향하여 들보부(36a)를 연장하여 나온 것이다. 또한, 들보부(36a)의 하나로부터는 인출 배선(43)이 늘어나 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(33)은 진동 박막(36b)이 백 챔버(35)의 윗면을 덮도록 하여 실리콘 기판(32)의 윗면에 배치되어 있다. 다이어프램(33)의 각 들보부(36a)는 토대부(41)의 오목소 내에 위치하고, 각 들보부(36a)의 선단부 하면(下面)이 앵커(37)에 고정되어 있다. 따라서, 다이어프램(33)의 진동 박막(36b)은 백 챔버(35)의 상방에서 주공(宙空)으로 들떠 있고, 음향 진동(공기 진동)에 감응하고 막 진동 가능하게 되어 있다.
백 플레이트(34)는, 질화막(SiN)으로 이루어지는 플레이트부(39)(고정막)의 하면에 폴리실리콘으로 이루어지는 고정 전극막(40)을 마련한 것이다. 백 플레이트(34)는 천개(天蓋) 형상을 하고 있고, 그 아래에 공동부분을 갖고 있고, 다이어프램(33)을 덮고 있다. 백 플레이트(34)의 아래의 공동부분의 높이(a)(실리콘 기판(32)의 윗면부터 고정 전극막(40)의 하면까지의 높이)는, 실리콘 기판(32)의 상면에 형성된 토대부(41)의 두께(c)와 동등하게 되어 있다. 백 플레이트(34)의 하면(즉, 고정 전극막(40)의 하면)과 다이어프램(33)의 윗면 사이에는 미소한 공극이 형성되어 있다. 또한, 백 플레이트(34)의 구석에 형성되어 있는 들보부 커버 영역(49)은, 미소한 공극을 비우고 들보부(36a)를 덮고 있다. 고정 전극막(40)은, 가동 전극막인 진동 박막(36b)과 대향하여 축전기(capacitor)를 구성하고 있다.
백 플레이트(34)에는, 상면부터 하면으로 관통하도록 하여 음향 진동을 통과시키기 위한 어쿠스틱 홀(38)이 다수 천공되어 있다. 또한, 진동 박막(36b)의 외주부 하면과 실리콘 기판(32)의 상면의 사이에도 작은 간극(음향 진동의 통로)이 열려 있다. 따라서 어쿠스틱 홀(38)을 통과하여 백 플레이트(34) 내에 들어간 음향 진동은, 진동 박막(36b)을 진동시킴과 함께 진동 박막(36b)의 외주부와 실리콘 기판(32)의 사이의 간극을 통과하여 백 챔버(35)로 빠져 간다.
또한, 백 플레이트(34)의 내면에는 미소한 스토퍼(42)가 다수 돌출하고 있고, 다이어프램(33)이 백 플레이트(34)의 하면에 흡착 또는 고정(스틱)하여 되돌아오지 않게 되는 것을 막고 있다.
천개형상을 한 플레이트부(39)의 바깥둘레로부터는, 전둘레에 걸쳐서 보호막(53)이 연속적으로 연장하여 나와 있다. 따라서 보호막(53)은 플레이트부(39)와 같이 질화막(SiN)에 의해 형성되어 있고, 플레이트부(39)와 거의 같은 막두께를 갖고 있다. 보호막(53)의 내주부는 단면 역홈 형상을 한 토대 피복부(51)가 되어 있고, 보호막(53)의 외주부는 평탄부(52)가 되어 있다. 또한, 백 플레이트(34)의 외주와 보호막(53)의 내주 사이의 경계 영역(50)은 단면(斷面) V홈 형상으로 되어 있다.
백 플레이트(34)는 실리콘 기판(32)의 윗면에 고정되어 있고, 보호막(53)은 토대부(41) 및 밀착층(47)을 개재시켜서 실리콘 기판(32)의 상면 외주부를 덮고 있다. 보호막(53)의 토대 피복부(51)는 토대부(41)를 덮고 있고, 평탄부(52)는 밀착층(47)의 상면을 덮고 있고, 평탄부(52)의 외주(단연)는 밀착층(47)의 외주 및 실리콘 기판(32)의 윗면 외주와 일치하고 있다. 또한, 백 플레이트(34)와 보호막(53)의 사이의 경계 영역(50)의 하면은, 토대부(41)의 내주의 노출면(48)에 밀착하고 있고, 백 플레이트(34)의 아래의 공동부분과 토대부(41)는, 경계 영역(50)에 의해 분리되어 있다.
다이어프램(33)의 윗면과 백 플레이트(34)의 하면 사이의 공극(air gap)의 두께(b)는 2㎛ 정도로 되어 있다. 토대부(41)의 두께(c)는, 앵커(37)와 백 플레이트(34)의 공극의 두께(b)보다도 크고, 2㎛ 이상으로 되어 있다. 한편, 밀착층(47)의 두께(d)는 앵커(37)와 백 플레이트(34)의 공극의 두께(b)보다도 작고, 2㎛ 이하로 되어 있다. 또한, 보호막(53)의 폭(e)은 400㎛ 이하이고, 평탄부(52)의 폭(f)은 150㎛ 정도가 바람직하다.
토대 피복부(51)에는 개구가 열려져 있고, 해당 개구를 통하여 인출 배선(43)의 윗면에 가동측 전극 패드(46)(전극 단자)가 형성되고, 가동측 전극 패드(46)는 인출 배선(43)에 (따라서 다이어프램(33)에) 도통하고 있다. 또한, 플레이트부(39)의 윗면에 마련된 고정측 전극 패드(45)(전극 단자)는, 스루홀 등을 통하여 인출 배선(44)에 (따라서 고정 전극막(40)에) 도통하고 있다.
이리하여, 이 음향 센서(31)에서는, 음향 진동이 어쿠스틱 홀(38)을 통과하여 백 플레이트(34)와 다이어프램(33) 사이의 공간에 들어가면, 박막인 다이어프램(33)이 음향 진동에 여기(excitation)되어 막 진동한다. 다이어프램(33)이 진동하여 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 갭 거리가 변화하면, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전 용량이 변화한다. 이 결과, 이 음향 센서(31)에서는, 다이어프램(33)이 감지하고 있는 음향 진동(음압의 변화)이 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전 용량의 변화로 되고, 전기적인 신호로서 출력된다.
또한, 이 음향 센서(31)에 의하면, 실리콘 기판(32)의 윗면 외주부(웨이퍼로부터 재단하기 위한 영역으로서, 다이싱 스트리트부로 불리는 일이 있다.)가 보호막(53)의 평탄부(52)에 의해 덮여 있다. 보호막(53)은, 플레이트부(39)와 마찬가지로 SiN막에 의해 형성되어 있고, 또한 비교적 두꺼운 막두께로 형성되어 있기 때문에, 절연성이 우수하다. 따라서 고정측 전극 패드(45)나 가동측 전극 패드(46)에 접속된 본딩 와이어가 구부러저서 아래로 내려가도 본딩 와이어는 보호막(53)에 접촉할 뿐이고 실리콘 기판(32)에 직접 접촉하는 일은 없다. 또한, 본딩 와이어의 아래에 이물이 끼여도 이물은 보호막(53)에 의해 차단되고 직접 실리콘 기판(32)에 접촉하는 일은 없다. 따라서, 음향 센서(31)의 단락을 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 밀착층(47)은, 공극의 두께(b)보다 얇은 SiO2 또는 폴리실리콘으로 이루어지고, 평탄부(52)는 이 밀착층(47)을 통하여 실리콘 기판(32)의 윗면에 형성되어 있기 때문에, 보호막(53)에 발생한 막 응력을 저감시킬 수 있고, 막 응력에 의한 보호막(53)의 박리를 경감할 수 있다. 또한, SiO2 또는 SiN으로 이루어지는 밀착층(47)을 통함에 의해 평탄부(52)의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
또한, 토대부(41)는 공극의 두께(b)보다도 두꺼운 SiO2로 이루어지고, 고정측 전극 패드(45)는 이 토대부(41)의 상방에서 보호막(53)(토대 피복부(51))에 마련하고 있기 때문에 고정측 전극 패드(45)와 실리콘 기판(32)의 윗면과의 거리를 크게 할 수 있다. 그 결과, 전극 패드(45, 46)와 실리콘 기판(32) 사이의 기생 용량을 작게 할 수 있기 때문에, 기생 용량에 의한 음향 센서(31)의 감도 저하를 작게 할 수 있고, 음향 센서(31)의 음향 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, SiO2로 이루어지는 토대부(41)의 위에 토대 피복부(51)를 형성하고 있기 때문에, 토대 피복부(51)의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 2의 예에서는, 가동측 전극 패드(46)는, 다이어프램(33)의 들보부(36a)의 단부에 제작되어 있기 때문에, 토대부(41)를 두껍게 함에 의해 기생 용량을 저감한다는 효과를 얻을 수는 없다. 그러나, 가동측 전극 패드(46)를 고정측 전극 패드(45)와 같은 구조로 하는 경우, 즉 플레이트부(39)의 윗면에 스루홀 등을 통하여 인출 배선을 마련하여 도통을 도모하는 경우에는, 토대부(41)를 두껍게 함에 의한 기생 용량 저감 효과를 얻을 수 있다.
또한, 이 음향 센서(31)는 가장 표면을 내흡습성이 높은 SiN층(즉, 플레이트부(39) 및 보호막(53))으로 덮고 있기 때문에, 내흡습성도 양호하게 된다.
(음향 센서의 제조 방법)
다음에, 음향 센서(31)의 MEMS 기술에 의한 제조 방법을 설명한다. 도 4(A) 내지 도 4(D) 및 도 5(A) 내지 도 5(C)는, 음향 센서(31)의 제조 공정을 도시하는 개략 단면도이다.
우선, 도 4(A)에 도시하는 바와 같이, 단결정 실리콘 기판(32)의 표면에 열산화나 CVD법 등에 의해 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어지는 희생층(61)을 성막한다. 계속해서, 희생층(61)의 위에 폴리실리콘층을 형성하고, 이 폴리실리콘 층을 에칭에 의해 패터닝하여, 진동 박막(36b)의 네모퉁이로부터 들보부(36a)가 연장하여 나온 플랫한 다이어프램(33)을 형성한다.
다이어프램(33)의 위에서 희생층(61)의 위에 다시 희생층(61)을 퇴적시켜서 희생층(61)에 의해 다이어프램(33)을 덮고, 도 4(B)에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(33)을 희생층(61) 내에 매입한다.
계속해서, 도 4(C)에 도시하는 바와 같이, 희생층(61)을 에칭하여 희생층(61)에 의해 백 플레이트(34)의 내면 형상을 한 공동 성형부(62)와 토대부(41)를 제작한다. 이때, 공동 성형부(62)와 토대부(41)는 홈(63)에 의해 분리하고, 홈(63) 내에 실리콘 기판(32)의 윗면을 노출시킴(홈(63)의 바닥이 노출면(48)이 된다.)과 함께 토대부(41)의 외측에서도 실리콘 기판(32)의 윗면을 노출시킨다. 또한, 공동 성형부(62)의 윗면에는 스토퍼(42)를 형성하기 위한 구멍 부분(64)을 마련하여 둔다.
이 후, 토대부(41)의 외측에서 실리콘 기판(32)의 윗면에 토대부(41)의 외주면과 연속하도록 하여, SiO2 또는 폴리실리콘에 의해 얇은 밀착층(47)을 성막한다.
도 5(A)에 도시하는 바와 같이, 공동 성형부(62)의 윗면에 폴리실리콘막을 성막하고, 폴리실리콘막을 에칭하여 패터닝함에 의해 고정 전극막(40)을 제작한다. 이 때 고정 전극막(40)에는 어쿠스틱 홀(38)을 개구함과 함께, 구멍 부분(64)에 맞춰서 통공(通孔)을 개구하여 둔다. 또한, 고정 전극막(40)의 위로부터 내(耐)불화수소산성을 갖는 SiN층을 퇴적시켜서 플레이트부(39)를 형성한다. 이 때, 구멍 부분(64) 내에 퇴적한 SiN층에 의해 고정 방지용의 스토퍼(42)가 형성된다. 또한, 플레이트부(39)에도 고정 전극막(40)의 어쿠스틱 홀(38)과 위치맞춤하여 어쿠스틱 홀(38)을 형성하고, 백 플레이트(34)에 어쿠스틱 홀(38)을 관통시킨다. 또한, 토대 피복부(51)의 위에는 전극 패드(45, 46)를 마련한다.
이렇게 하여 백 플레이트(34)가 완성되면, 실리콘 기판(32)의 중앙부를 하면측부터 에칭하여, 도 5(B)에 도시하는 바와 같이 실리콘 기판(32)에 백 챔버(35)를 관통시켜서, 백 챔버(35)의 윗면에 공동 성형부(62)를 노출시킨다.
이 후, 백 플레이트(34)의 어쿠스틱 홀(38)이나 실리콘 기판(32)의 백 챔버(35) 등으로부터 불화수소산을 유도하여 공동 성형부(62)를 선택적으로 웨트 에칭하여, 도 5(C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(36a)의 아래의 희생층(61)만을 앵커(37)로서 남겨 두고, 다른 공동 성형부(62)를 제거한다. 이 결과, 다이어프램(33)은, 앵커(37)에 의해 실리콘 기판(32)의 윗면에서 띄워지고, 백 챔버(35)상에서 진동이 가능하게 지지되고, 고정 전극막(40)과 다이어프램(33) 사이에 에어 갭이 형성된다. 단, 토대부(41)와 공동 성형부(62)의 사이는 경계 영역(50)으로 구획되어 있기 때문에, 토대부(41)는 불화수소산으로 에칭되지 않고, 토대부(41) 및 밀착층(47)은 그대로 남는다. 이렇게 하여, 음향 센서(31)가 제작된다.
음향 센서(31)에서 토대부(41)의 두께를 다이어프램(33)의 윗면과 백 플레이트(34)의 하면 사이의 공극의 두께(b)보다도 크게 하고 있는 것은, 공법적(工法的)으로는 다음과 같은 의의를 갖는다. 상기 제조 방법과 같이, 토대부(41)는 같은 희생층(61)으로부터 공동 성형부(62)와 같은 공정으로 제작할 수 있으면, 가장 생산성이 양호해진다. 이와 같은 공법을 가능하게 하기 위해서는, 토대부(41)의 두께(c)는 공극의 두께(b)보다도 두껍게(c≥b) 하여야 한다.
다이어프램(33)과 백 플레이트(34)의 사이의 공극을 좁게 하면, 풀 인 현상(전압 인가시에 정전 인력으로 다이어프램(33)과 고정 전극막(40)이 들러붙는 현상)이나 스틱 현상(공극에 침입한 수분 등으로 다이어프램(33)과 고정 전극막(40)이 들러붙는 현상) 등을 막기 위해서는, 이 공극은 가능한 한 넓은 것이 바람직하다. 또한, 노이즈 원천이 되는 열(熱)잡음을 경감시키기 위해서도, 이 공극은 가능한 한 넓은 것이 바람직하다. 그 때문에, 다이어프램(33)과 백 플레이트(34)의 사이의 공극을 2㎛ 이하로 얇게는 할 수가 없고, 일반적으로 공극의 두께(b)는 2㎛ 이상이다.
한편, 토대부(41)는, 고정측 전극 패드(45)와 실리콘 기판(32)의 사이의 기생 용량을 작게 하기 위해서 가능한 한 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 따라서 토대부(41)의 두께(c)를 공극의 두께(b)보다도 크게 하여 두면, 토대부(41)는 일정 이상의 두께(즉 2㎛ 이상의 두께)를 확보할 수 있고, 당연히 기생 용량을 작게 할 수 있다. 또한, 보다 좋은 형태로는, 토대부(41)의 두께(c)는, 공극의 두께(b)와 앵커(37)의 두께(g)의 합계와 같다. 이것은 토대부(41)를 제작하는 공정을 공극이나 앵커 두께를 제작하는 공정과 동기(同期)시키면 가장 생산성이 좋기 때문이고, 그 결과 토대부(41)의 두께(c)가 공극의 두께(c)와 앵커(37)의 두께(g)의 합계와 동등하게 되기 때문이다.
또한, 밀착층(47)의 두께를 다이어프램(33)의 윗면과 백 플레이트(34)의 하면 사이의 공극의 두께(b)보다도 작게 하고 있는 것은, 공법적으로는 다음과 같은 의의가 있다. 다이싱 스트리트부에 마련한 밀착층(47)은, 레이저 다이싱을 이용하는 경우에는, 그 두께가 얇은 쪽이 바람직하다. 그러나 공동 성형부(62)나 토대부(41)를 제작하기 위한 희생층(61)을 이용하여 밀착층(47)을 동시에 제작하려고 하면, 밀착층(47)의 두께가 두꺼워져 버린다. 그 때문에 밀착층(47)은 도 4(D)와 같이 토대부(41)나 공동 성형부(62)와는 다른 공정에서 제작하는 것이 바람직하다. 도 4(D)의 공정에서 제작된 밀착층(47)의 두께(d)는 가능한 한 얇은 쪽이 좋기 때문에, 예를 들면 두께 0.1㎛ 정도의 SiO2막에 의해 제작하는 것이 바람직하다.
또한, 밀착층(47)은 공동 성형부(62)나 토대부(41)를 제작한 후의 공정으로 제작되기 때문에 밀착층(47)의 제작 방법에 의해서는 밀착층(47)과 같은 막이 공동 성형부(62)나 토대부(41)의 표면에도 부여된 일이 있다. 그 결과, 공동 성형부(62)나 토대부(41)의 두께가 밀착층(47)의 두께분 만큼 증가하게 된다. 이와 같은 경우에는, 도 4(B)의 공정으로 제작된 희생층(61)의 두께를 목표로 하는 공동 성형부(62)나 토대부(41)의 두께보다도 밀착층(47)의 두께분 만큼 얇게 하여 두면 좋다.
31 : 음향 센서
32 : 실리콘 기판
33 : 다이어프램
34 : 백 플레이트
35 : 백 챔버
37 : 앵커
38 : 어쿠스틱 홀
39 : 플레이트부
40 : 고정 전극막
41 : 토대부
45 : 고정측 전극 패드
46 : 가동측 전극 패드
47 : 밀착층
49 : 들보부 커버 영역
50 : 경계 영역
51 : 토대 피복부
52 : 평탄부
53 : 보호막
61 : 희생층
62 : 공동 성형부

Claims (16)

  1. 백 챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 도전성의 다이어프램과, 간극을 띄우고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 윗면에 고정된 절연성의 고정막과, 상기 다이어프램과 대향하는 위치에서 상기 고정막에 마련한 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막과 상기 다이어프램 사이의 정전 용량의 변화를 전기 신호로서 외부에 출력하기 위한 전극 단자를 구비한 음향 센서로서,
    상기 반도체 기판의 윗면 외주부가 상기 고정막과 같은 재료로 이루어지는 보호막에 의해 덮혀 있고, 상기 보호막의 외주가 상기 반도체 기판의 윗면 외주와 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 보호막의 적어도 일부는, 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지고 상기 보호막보다도 얇은 밀착층을 개재시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 보호막의 외주부는, 상기 밀착층을 개재시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되고,
    상기 보호막의 내주부는, 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지는 후막층을 개재시켜서 상기 반도체 기판의 표면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전극 단자는, 상기 후막층이 형성되어 있는 영역에서 상기 보호막에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 밀착층과 상기 후막층은, 같은 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 밀착층 및 상기 후막층은, 절연성 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 보호막과 상기 고정막은 연속하여 있고, 상기 보호막과 상기 고정막과의 경계 영역은 상기 반도체 기판의 윗면에 밀착하여 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  8. 백 챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 도전성의 다이어프램과, 간극을 띄우고 상기 다이어프램을 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 윗면에 고정된 절연성의 고정막과, 상기 다이어프램과 대향하는 위치에서 상기 고정막에 마련한 도전성의 고정 전극막과, 상기 고정 전극막과 상기 다이어프램 사이의 정전 용량의 변화를 전기 신호로서 외부에 출력하기 위한 전극 단자를 구비한 음향 센서의 제조 방법으로서,
    상기 반도체 기판의 윗면에 퇴적시킨 희생층의 내부에 다이어프램을 형성하는 공정과,
    상기 희생층을 에칭하여 표면이 상기 고정막의 내면 형상을 한 공간 성형부를 형성하는 공정과,
    정형된 상기 희생층의 위에 상기 고정막을 형성함과 함께, 외주가 상기 반도체 기판의 윗면 외주와 일치하도록 하여 상기 고정막과 같은 재료로 이루어지는 보호막에 의해 상기 반도체 기판의 윗면 외주부를 덮는 공정과,
    상기 반도체 기판에 상기 백 챔버를 형성하는 공정과,
    상기 희생층을 에칭에 의해 제거하여 상기 다이어프램을 공간에서 지지시킴과 함께, 상기 다이어프램과 상기 고정막의 내면 사이에 간극을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 공간 성형부를 형성한 후, 상기 반도체 기판의 윗면 외주부의 적어도 일부에, 상기 고정막과 다른 재료로 이루어지고 상기 보호막보다도 얇은 밀착층을 형성하는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 공간 성형부를 형성할 때, 상기 희생층에 의해 상기 공간 성형부와 분리하여 상기 공간 성형부의 외측에 후막층을 형성하고, 이어서, 상기 후막층의 외측에 상기 밀착층을 형성하는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 밀착층과 상기 후막층은, 같은 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 밀착층 및 상기 후막층은, 절연성 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 밀착층의 두께는, 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격보다도 작은 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 후막층의 두께는, 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격보다도 큰 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 후막층의 두께는, 상기 고정막과 상기 고정 전극막으로 이루어지는 백 플레이트의 내면과 상기 다이어프램 사이의 간격과, 상기 반도체 기판의 윗면과 상기 다이어프램 사이의 간격과의 합의 거리와 동등한 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 보호막과 상기 고정막을 연속시켜서 동시에 형성함과 함께, 상기 보호막과 상기 고정막과의 경계 영역을 상기 반도체 기판의 윗면에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 음향 센서.


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