밀폐형 이중막 구조를 가진 MEMS 마이크로폰의 공정 개선 연구

국문 초록 (Abstract)

IoT(Internet of thing)와 음성 인식 기술의 급격한 성장과 함께, 스마트 기기들 은 센서의 소형화 및 저전력 특성을 크게 요구하고 있다. 따라서 이와 같은 기 술 수요를 충족시킬 수 있는 MEMS 마이크로폰이 스마트 기기에 적극 도입되 고 있으며, 현재 실리콘 기반의 정전용량형 MEMS 마이크로폰이 가장 널리 활 용되고 있다. MEMS 마이크로폰의 연구들은 감응 박막 직경이 1 mm 라는 크기 제약 조건 안에서 그 성능을 향상하기 위한 연구 개발들이 대두되었고, 정전용량형 MEMS 마이크로폰의 에너지 변환 관점에서 단일 후판형, 이중 후판형 그리고 밀폐형 이중막 구조의 순서로 개발되어 왔다. 특히 밀폐형 이중막 구조는 외부와 밀폐된 구조를 통해 감응판 사이의 공기 층을 진공으로 만들어, 음향 저항의 극단적으로 감소시키는 장점이 있다. 이는 기존 단일 후판형, 이중 후판형 구조 대비 우수한 성능을 가능하게 하였다. 그 러나 이중 밀폐형 구조는 기존 단일 후판, 이중 후판에 비해 감응판 연결 기둥, 밀봉 구조, Dimple 구조 등과 같은 추가적인 구조 요소를 피할 수 없고 이에 따 라 구조가 복잡하고 공정 구현이 까다롭다는 단점이 있다. 그러므로 밀폐형 이중막 구조의 공정 구현 측면에서의 단순화 및 효율화를 위한 연구 과제들이 남아 있는 것이 현실이다. 이를 극복하기 위해 다양한 공 정 개발 연구들이 수행되었다. 이전까지 Bulk형태의 마이크로폰에서 MEMS 기 술의 개발로 초기 밀폐형 구조들은 Wafer Bonding 공정을 활용한 공정으로 감 응판과 후판을 선행적으로 구현하고 밀폐구조를 구현하기 위한 접합을 진행하 는 시도들이 이루어졌었으나 이는 공정비용 증가,샘플 두께 상승 및 Pattern 공 정 보다 떨어지는 위치 정렬 정밀도 한계가 있다. 이보다 밀폐형 이중막 구조 를 구현하기 위하여 증기 불산을 활용한 연구가 진행되었다. 이는 정밀성과 샘 플 두께 측면에서 이점이 있으나 추가적인 요소 구조를 구현 과정에 Pattern 구 현을 위한 단위 공정이 많고 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 현재 밀폐형 구 조를 구현하기위한 연구들은 많이 시도되었지만 밀폐형 이중막 MEMS 마이크 로폰의 공정 간소화에 초점을 둔 연구는 제한적인 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 밀폐형 이중막 구조의 공정 구현 간소화 방안으로 상 부 감응판과 기둥을 하나의 공정으로 통합하여 단위 공정을 감소시켰으며, 기 존 다층 박막을 이용한 밀봉 구조를 대체하기 위해 PECVD 기반 단일 절연 박 막을 활용한 밀폐 구조 형성 방안을 도출하였고, 이를 실험적으로 구현하였다. 그 결과, 기존 SDM 공정 대비 lithography 공정은 16회에서 14회로, 증착 공정 은 16회에서 11회로 감소시킬 수 있었다. 공정 구현 과정에서 희생층 식각 문제, 미소 식각 홀 형성 구현 문제, 밀폐 구조 형성 시 잔류 응력에 의한 감응판 파손 문제 등과 같은 공정 통합 시 발 생하는 문제들이 확인되었으나, 전체 공정 프로세스의 구현 가능성을 확인하였 고, 단위 공정 개선과 일련의 연속 공정간 간섭 개선과 같은 향후 연구를 통해 안정화된 공정 구현이 가능할 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 마이크로폰 시장 배경 1
• 2. 공정 설계 3
• 2.1. 정전용량형 MEMS 마이크로폰 개발 방향과 장점 3
• 2.1.1. 단일 후판(Single Back plate) MEMS 마이크로폰 3
• 2.1.2. 이중 후판(Dual Back plate) MEMS 마이크로폰· 8
• 2.1.2. 밀폐형 이중막(Sealed Dual Membrane) MEMS 마이크로폰 11
• 2.2. 밀폐형 이중막 MEMS 마이크로폰 공정 설계 15
• 2.2.1. 밀폐형 구조 구현을 위한 기존 연구 분석 15
• 2.2.2. 밀폐형 이중막 구현 공정 기술 조사 및 공정 개선 28
• 2.3. 개선 공정 수행 방안과 차별성 41
• 3. 개선 공정 수행 44
• 3.1. 밀폐형 MEMS 마이크로폰 개선 공정 수행 44
• 4. 개선공정 문제점과 개선 방안 68
• 4.1. 희생층 식각 구멍 구현 공정 문제 68
• 4.2. 희생층 미식각 문제 71
• 4.3 밀폐 구조 구현 공정에서 잔류응력 문제 73
• 5. 향후 연구 개발 방향 77
• 6. 참고문헌 78