We achieve high sensitivity and frequency response surface-micromachined MEMS microphones composed of the membrane center holes and back plate supports. The surface-micromachined MEMS microphone having advantages of small size, low cost, high reliability, productivity and CMOS compatibility shows low sensitivity and poor frequency response due to the limitation of the surface micromachining process. The low sensitivity is mainly due to the small air gap height and the shallow back acoustic chamber depth. We propose the membrane center holes and the back plate supports. The air resistance of the air gap has a large effect on the frequency response of the microphone. The proposed membrane center holes reduce the air resistance at the center of the membrane so that the frequency response could be improved. The back plate supports having filled deep trenches allow the selectively deep etching of the back acoustic chamber and prevent the deformation of the back plate after the back acoustic chamber formation. Consequently, the sensitivity and the uniformity could be improved.
The proposed surface-micromachined MEMS microphones are fabricated by using CMOS compatible MEMS processes. Deep trench of 100 μm depth is fabricated and filled to make the back plate supports and the etch-preventing wall. Polyimide sacrificial layer is used for the sensing air gap and the xenon difluoride etching of the silicon substrate is used for the deep back acoustic chamber. During the fabrication, The residual stress and deformation of the sensing membrane is minimized by using the PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) silicon nitride stress-control layer which is inserted in the aluminum sensing membrane.
In the experimental study, we verify that the membrane center holes could successfully improve the sensitivity and the frequency response of the surface-micromachined MEMS microphones. After back acoustic chamber formation, the membrane height is reduced to 1.8 ± 0.1 μm for each membrane, respectively. The capacitances of the proposed microphones are 1.13 ± 0.05 pF, 1.61 ± 0.06 pF and 2.14 ± 0.04 pF for 500, 600 and 700 μm devices, respectively. The measured pull-in voltages are 14.6 ± 0.4 V, 11.0 ± 0.6 V and 9.3 ± 0.6 V, respectively. In the acoustic sensitivity measurement, the open-circuit sensitivity is measured as 3.1 ± 0.1 mV/Pa, 3.9 ± 0.1 mV/Pa and 4.7 ± 0.1 mV/Pa @ 1kHz (0 dB = 1 V/Pa) for 500, 600 and 700 μm membrane devices, respectively. And the frequency responses are -2.3 ± 0.3 dB, -3.2 ± 0.4 dB and -3.1 ± 0.2 dB for 500, 600 and 700 μm membrane devices, respectively. Compared to the non-membrane center hole device, the devices with membrane center holes show improved frequency responses. By the membrane center holes, the frequency responses are improved about 2.2 dB, 2.5 dB and 3.1 dB for 500, 600 and 700 devices, respectively. From the experimental results, we verify that the membrane center holes and the back plate supports improve the sensitivity and the frequency response of the surface-micromachined MEMS microphones.
In this thesis, we have designed, fabricated and characterized the surface-micromachined MEMS microphones using membrane center holes for higher sensitivity and frequency response. The present surface-micromachined MEMS microphones have potential for use in the monolithically CMOS integrated MEMS microphones.
본 연구에서는 감지 박막에 형성된 구멍에 의해서 감도와 주파수 특성이 향상된 표면가공형 멤스 마이크로폰을 설계, 제작하여 그 성능을 측정하였다. 표면가공형 멤스 마이크로폰은 작은 크기와 저비용, 높은 신뢰성과 생산성, CMOS 회로 공정 호환성 등의 장점을 가지고 있으나, 상대적으로 낮은 감도와 나쁜 주파수 특성을 갖는 문제점을 가지고 있다. 이러한 이유로 많은 장점에도 불구하고 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 표면가공형 멤스 마이크로폰의 낮은 감도는 공정적인 제약에 따른 좁은 감지 간극과 얕은 후방음향챔버에 의해서 감지 간극의 공기에 의한 감쇄가 크기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 감지박막의 중앙부에 구멍을 형성하고 기판에 백플레이트 지지대와 식각 방지벽 구조를 형성하였다. 감지박막의 중앙에 형성된 구멍은 감쇄가 가장 크게 일어나는 감지박막의 중앙부의 공기 배출을 원활히 하고, 희생층의 제거 및 후방음향챔버의 형성을 용이하게 해준다. 또한 백플레이트 지지대와 식각 방지벽 구조는 깊고 균일한 후방음향챔버를 형성 가능하게 하면서, 구조적으로 백플레이트의 강성을 높이고 변형을 방지한다. 이러한 구성을 통해 표면가공형 멤스 마이크로폰의 감도와 주파수 특성이 크게 향상될 수 있다.
제안된 표면가공형 멤스 마이크로폰은 감지박막의 크기와 구멍의 크기와 모양에 따른 효과를 검증하기 위하여 500, 600, 700 μm 의 직경을 갖는 세가지 크기의 감지박막과 4가지의 다른 크기와 모양을 갖는 감지 박막 구멍을 갖도록 설계하였다. 소자의 크기는 1.5 x 1.5 x 0.6 mm3 이며, 감지 간극은 2 μm, 감지 박막의 두께는 1 μm 로 설계되었다.
제안한 표면가공형 멤스 마이크로폰은 기존의 CMOS 생산시설에서 제작하였으며, 완벽하게 CMOS 공정 호환성을 갖도록 제작되었다. 고종횡비 실리콘 식각 공정, 폴리이미드 희생층 형성 및 제거 공정 및 이불화제논 가스를 이용한 실리콘 등방성 식각 공정까지 모든 MEMS 공정이 CMOS 공정과 호환이 가능하도록 개발되었다. 고종횡비 실리콘 식각 공정을 통해서 2 μm 폭에 100 μm 깊이를 갖는 트렌치를 형성하고 절연물질로 메워서 백플레이트 지지대와 식각 방지벽 구조를 형성하였으며, 폴리이미드 희생층을 통해서 2 μm 높이에 700 μm 의 폭을 갖는 감지 간극을 형성할 수 있었다. 이불화제논 식각을 통해서는 회로와 마이크로폰 구조에 영향을 주지 않고 깊은 후방음향챔버를 형성할 수 있었다. 또한 감지박막을 다층구조로 하고, 그 중간에 삽입된 질화막의 스트레스를 공정적으로 조절하여 감지박막의 잔류응력을 22 MPa수준으로 낮추면서, 강성도 동시에 낮추어 변형을 막고 감도를 개선하였다.제작된 소자의 특성을 분석하기 위하여 3차원 형상 측정을 통해서 감지 박막 및 백플레이트의 변형과 감지 간극의 높이를 구하고, C-V 측정을 통해서 전기적인 특성의 측정을 하였다. 제작된 소자의 감지 간극은 1.8 ± 0.1 μm 이고, 500, 600, 700 μm 감지박막 크기 별로 정전용량은 각각 1.13 ± 0.05 pF, 1.61 ± 0.6 pF, 2.14 ± 0.04pF 이며, 풀인 전압은 각각 14.6 ± 0.4 V, 11.0 ± 0.6 V and 9.3 ± 0.6 V 이었다. 이로부터 소자의 개방 민감도는 3.3 ± 0.2 mV/Pa, 4.0 ± 0.4 mV/Pa, 5.5 ± 0.5 mV/Pa로 계산되었다. 음향 민감도는 측정 회로에 연결한 뒤에 음향 측정을 위한 구성 (B&K 4232 무반향 챔버, B&K 4192 기준 마이크로폰, B&K 7700 음향 분석기, B&K 3560 데이터 수집기)을 이용하여 측정하였다. 측정된 음향 민감도는 500, 600, 700 μm 감지박막 크기 별로 3.1 ± 0.1 mV/Pa, 3.9 ± 0.1 mV/Pa, 4.7 ± 0.1 mV/Pa @ 1kHz 이며, 주파수 특성은 1~10 kHz 범위에서 최대 -2.3 ± 0.3 dB, -3.2 ± 0.4 dB and -3.1 ± 0.2 dB로 측정되었다. 측정 결과에서 낮은 감지 간극과 깊은 후방음향챔버 및 감지 박막의 특성 최적화를 통해서 감도가 기존의 상용 멤스 마이크로폰의 오픈 감도인 5~9mV/Pa에 근접하게 향상되었다. 또한 감지박막에 구멍이 형성된 소자에서 구멍이 없는 소자에 비해서 주파수 특성의 향상이 뚜렷하게 나타났다. 500, 600, 700 μm 감지박막 크기 별로 각각 2.2 dB, 2.5 dB, 3.1 dB만큼 주파수 특성이 향상되었다.
이로부터 제안된 구멍을 갖는 감지박막과 백플레이트 지지대 구조를 통해서 감도와 주파수 특성이 향상된 표면가공형 멤스 마이크로폰을 제작할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 본 연구에서 제안된 표면가공형 멤스 마이크로폰은 향후 CMOS 감지 회로 일체형 멤스 마이크로폰을 제작하는데 활용 가능하다.
