KR-20260062042-A - MEMS TRANSDUCER

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Abstract

MEMS 트랜스듀서가 편향가능 멤브레인을 포함하고, 편향가능 멤브레인은, 2개의 제1 층, 및 그 2개의 제1 층 사이에 배열되는 제2 층을 포함한다. 2개의 제1 층은 저응력 실리콘 질화물을 포함하고, 제2 층은 도핑된 실리콘을 포함한다.

Inventors

바사반나, 아브히라즈
프레이, 알렉산더
티메, 한스-외르크
?O드너, 마크

Assignees

인피니온 테크놀로지스 아게

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20251017
Priority Date: 20241028

Claims (20)

MEMS 트랜스듀서(10)로서, 편향가능 멤브레인(deflectable membrane)(12)을 포함하고, 상기 편향가능 멤브레인(12)은, 2개의 제1 층(20), 및 상기 2개의 제1 층(20) 사이에 배열되는 제2 층(30)을 포함하고, 상기 2개의 제1 층(20)은 저응력 실리콘 질화물을 포함하고, 상기 제2 층(30)은 도핑된 실리콘을 포함하는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항에 있어서, 상기 편향가능 멤브레인(12)은 적어도 하나의 코루게이션(corrugation)(40)을 포함하는, MEMS 트랜스듀서(10).
제2항에 있어서, 상기 코루게이션(40)은 상기 편향가능 멤브레인(12)의 원주를 따라 연장되는, MEMS 트랜스듀서(10).
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 코루게이션(40)은, 상기 편향가능 멤브레인(12)에 수직인 방향으로, 상기 편향가능 멤브레인(12)의 두께의 0.5배 내지 2배의 범위에서 연장부를 갖는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 제1 층(20)은 저응력 실리콘 질화물로 이루어지고/지거나 상기 제2 층(30)은 도핑된 실리콘, 예를 들어, 도핑된 폴리실리콘으로 이루어지는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저응력 실리콘 질화물은 10MPa 내지 500MPa의 범위, 또는 10MPa 내지 200MPa의 범위, 또는 20MPa 내지 100MPa의 범위의 내부 응력을 갖는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 화학량론적 부분(stochiometric portion)이 Si 3 N 4 에서의 실리콘의 화학량론적 부분을 초과하는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 제1 층(20) 중 하나 또는 양측 모두가 10nm 내지 150nm의 범위 또는 20nm 내지 100nm의 범위의 두께를 갖는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 제1 층(20)은 동일한 두께를 갖는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층(30)은 100nm 내지 500nm의 범위 또는 150nm 내지 350nm의 범위의 두께를 갖는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층(30)은 상기 2개의 제1 층(20) 각각에 인접하게 배열되는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향가능 멤브레인(12)은 원형이고, 상기 편향가능 멤브레인(12)의 반경은 200㎛ 내지 750㎛의 범위 또는 250㎛ 내지 500㎛의 범위에 있는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도핑된 실리콘의 도펀트의 농도가 10 19 cm -3 내지 10 21 cm -3 의 범위에 있는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향가능 멤브레인(12)에 대향하여 배열되는 강성 전극(50)을 더 포함하는, MEMS 트랜스듀서(10).
제14항에 있어서, 단일 백플레이트 사운드 트랜스듀서인, MEMS 트랜스듀서(10).
제14항에 있어서, 상기 강성 전극(50)은 평면형(planar)인, MEMS 트랜스듀서(10).
제14항에 있어서, 상기 강성 전극(50)은 코루게이션들이 없는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향가능 멤브레인(12)은 압전 재료를 포함하는, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 라우드스피커인, MEMS 트랜스듀서(10).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향가능 멤브레인(12)에 부착되는 현수된 질량체(suspended mass)(80)를 더 포함하는, MEMS 트랜스듀서(10).

Description

MEMS 트랜스듀서{MEMS TRANSDUCER} 본 개시내용의 예들은 마이크로-전자-기계-시스템(Micro-Electro-Mechanical-System)(MEMS) 트랜스듀서들에 관한 것이다. 특히, 예들은, 예를 들어, 코루게이션(corrugation)을 갖거나 또는 갖지 않는 적층된 저응력 질화물 멤브레인을 갖는 MEMS 트랜스듀서들에 관한 것이다. 예들은 MEMS 사운드 트랜스듀서들, 예를 들어, 마이크로폰들, 예를 들어, 단일 백플레이트(single back plate)(SBP) 마이크로폰들에 관한 것이다. 추가의 예들은 진동 센서들, 예를 들어, 골전도 마이크로폰(bone conduction microphone)들 또는 보이스 픽업 유닛(voice pick-up unit)(VPU)들, 예를 들어, 가속도 센서들에 관한 것이다. MEMS 트랜스듀서들, 예를 들어, 압력파들 또는 기계적 진동들과 같은 진동들을 전기 신호로 컨버팅하는 트랜스듀서들은 편향가능 멤브레인(deflectable membrane)의 사용을 행한다. 그러한 편향가능 멤브레인의 성능의 하나의 양태는 그의 진동 특성들이다. 특히, 적용예의 주파수 범위에 걸친 낮은 감쇠가 이로울 수도 있다. 그러나, 양호한 진동 특성들을 달성하는 것은 종종, 멤브레인의 높은 강건성(robustness)이라는 목표와는 정반대이다. 예를 들어, MEMS 트랜스듀서들은 충분한 강건성을 제공하기 위해 두꺼운 두께의 완전히 클램핑된 또는 자유 부유식(free-floating) 멤브레인들의 사용을 행한다. 양호한 진동 성능과 높은 강건성 사이의 트레이드오프를 개선시키면 종종, 더 높은 비용 또는 시간 딜레이를 수반하는 특수 기법들의 도입 또는 생산의 높은 복잡성의 결점이 따라온다. 이에 따라, 양호한 진동 성능, 높은 강건성, 그리고 생산의 낮은 복잡성 사이의 개선된 트레이드오프를 제공하는 MEMS 트랜스듀서를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 본 개시내용의 예들은, 편향가능 멤브레인을 포함하는 MEMS 트랜스듀서를 제공하고, 편향가능 멤브레인은, 2개의 제1 층, 및 그 2개의 제1 층 사이에 배열되는 제2 층을 포함한다. 2개의 제1 층은 저응력 실리콘 질화물을 포함하고, 제2 층은 도핑된 실리콘을 포함한다. 유리한 구현들은 종속 청구항들의 대상물에 의해 규정된다. 본 개시내용의 예들은 도면들을 참조하여 아래에 더 상세히 설명되고, 그 중에서: 도 1은 본 개시내용의 일 예에 따른, MEMS 트랜스듀서, 특히, MEMS 트랜스듀서의 멤브레인을 예시한다. 도 2는 코루게이션을 갖는 일 예에 따른, MEMS 트랜스듀서, 특히, MEMS 트랜스듀서의 멤브레인을 예시한다. 도 3은 일 예에 따른 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 4는 일 예에 따른 코루게이티드 멤브레인(corrugated membrane) 및 평면형 전극(planar electrode)을 갖는 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 5는 다른 예에 따른 코루게이티드 멤브레인 및 평면형 전극을 갖는 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 6은 일 예에 따른 현수된 질량체(suspended mass)를 갖는 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 7은 일 예에 따른 평면형 전극 및 현수된 질량체를 갖는 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 8은 다른 예에 따른 평면형 전극 및 현수된 질량체를 갖는 용량성 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 도 9는 종래의 MEMS 트랜스듀서를 예시한다. 본 개시내용의 예들이 이제 첨부 도면들을 참조하여 더 상세히 설명되고, 여기서 동일한 또는 유사한 요소들 또는 동일한 또는 유사한 기능성을 갖는 요소들은 동일한 참조 부호가 할당되거나 또는 동일한 명칭으로 식별된다. 다음의 설명에서, 본 개시내용의 예들의 완전한 설명을 제공하기 위해 복수의 세부사항들이 제시된다. 그러나, 다른 예들은 이들 특정 세부사항들 없이 구현될 수도 있다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 부가적으로, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에서 설명되는 상이한 예들의 피처(feature)들이 서로와 조합될 수도 있다. 도 1은 본 개시내용의 일 예에 따른 MEMS 트랜스듀서(10)를 예시한다. MEMS 트랜스듀서(10)는, 2개의 제1 층(20) 및 제2 층(30)을 포함하는 편향가능 멤브레인(12)을 포함한다. 제2 층(30)은 2개의 제1 층(20) 사이에 배열된다. 2개의 제1 층(20)은 저응력 실리콘 질화물을 포함한다. 제2 층(30)은 도핑된 실리콘, 예를 들어, 도핑된 폴리실리콘을 포함한다. 본 개시내용의 예들은, 저응력 실리콘 질화물을 포함하는 2개의 층 사이에 도핑된 실리콘을 포함하는 층을 포함하는 복합 멤브레인 구조체가 멤브레인 내에 특히 낮은 응력을 제공하여, 그에 의해 높은 강건성, 그리고 특히, 강건성과 진동 또는 음향 성능 사이의 개선된 트레이드오프를 발생시킨다는 발견에 의존한다. 특히, 예들은, 높은 강건성을 제공하는 실리콘 질화물과 도핑된 실리콘의 조합물이, 단독으로 사용될 때 높은 응력을 발생시킬 수도 있는 실리콘 질화물의 사용을 용이하게 한다는 생각에 의존한다. 게다가, 개시된 구조체의 예들은 비교적 낮은 복잡성 및 비용으로 생산가능하다. 예들에서, 개시된 MEMS 트랜스듀서는 널리 이용가능한 방법들을 사용하여 생산될 수도 있다. 다시 말해, 본 개시내용의 예들은, 이슈들의 영역들을 개선시키기 위해 멤브레인 스택을 수정함으로써 (실질적인) 성능 저하 없이 강건성을 개선시키고, 따라서 예를 들어, 높은 강건성과 함께 매우 높은 기계적 컴플라이언스(mechanical compliance) 또는 음향 성능을 갖는 마이크로폰과 같은 사운드 트랜스듀서의 설계의 가능성을 여는 것을 수반한다. 예를 들어, 제2 층(30)의 실리콘의 도핑은 멤브레인(12)의 응력의 감소에 기여할 수도 있거나, 또는 제2 층의, 그리고 따라서 전체 멤브레인(12)의 응력을 조정하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 응력의 조정은, 예를 들어, MEMS 트랜스듀서의 원하는 적용에 따라 멤브레인(12)의 진동/음향 특성들을 구성하는 것에 기여할 수도 있다. 예들에서, 도핑된 실리콘의 도펀트의 농도는 1019cm-3 내지 1021cm-3의 범위에 있다. 예를 들어, 편향가능 멤브레인(12)은, 예를 들어, MEMS 트랜스듀서의 가속도에 의해 야기되는, 음파들 또는 기계적 진동들과 같은 압력 발진(pressure oscillation)들에 의해 자극되면 발진할 수도 있다. 예를 들어, 편향가능 멤브레인(12)은, 예를 들어, 도 1에 예시 목적을 위해 도시된 바와 같이, 지지 구조체(60)에 의해 지지될 수도 있다. 예를 들어, 지지 구조체(60)는 편향가능 멤브레인(12)의 원주를 따라 편향가능 멤브레인을 지지 또는 고정할 수도 있다. 원주는, 평면 - 그 내에서 멤브레인(12)의 층들이 연장된다 - 에서 연장되는 편향가능 멤브레인(12)의 보더(border)를 지칭할 수도 있다. 예를 들어, 편향가능 멤브레인은 원형일 수도 있다. 예들에서, 편향가능 멤브레인(12)은, 200㎛ 내지 750㎛의 범위 또는 250㎛ 내지 500㎛의 범위에 있는 반경을 가질 수도 있다. 예들에서, 2개의 제1 층(20)은 저응력 실리콘 질화물로 이루어진다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제2 층(30)은 도핑된 실리콘, 예를 들어, 도핑된 폴리실리콘으로 이루어진다. 예들에서, 제2 층(30)은 2개의 제1 층(20) 각각에 인접하게 배열된다. 다시 말해, 예들에서, 제2 층(30)은 2개의 제1 층(20) 각각에 접해 있다. 일 예에서, 편향가능 멤브레인(12)은 2개의 제1 층(20) 및 제2 층(30)으로 이루어진다. 예를 들어, 저응력 실리콘 질화물은, 미리 결정된 값 미만의 응력을 갖는 실리콘 질화물을 지칭할 수도 있다. 예를 들어, 실리콘 질화물의 응력은 실리콘 질화물에서의 실리콘과 질소 사이의 비율에 관련될 수도 있다. 예들에서, 제1 층들(20)의 저응력 실리콘 질화물은 10MPa 내지 500MPa의 범위, 또는 10MPa 내지 200MPa의 범위, 또는 20MPa 내지 100MPa의 범위의 내부 응력을 갖는다. 예를 들어, 20MPa 초과 또는 10MPa 초과의 인장 응력은 멤브레인(12)의 제조와 관련하여 유리할 수도 있는 한편, 500MPa 또는 200MPa 또는 100MPa 미만의 응력은 진동 또는 음향 특성들과 관련하여 유리할 수도 있다. 예들에서, 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 화학량론적 부분(stochiometric portion)이 Si3N4에서의 실리콘의 화학량론적 부분을 초과한다. 다시 말해, 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 부분이 3/7을 초과할 수도 있다. 예를 들어, 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 부분이 70% 미만일 수도 있다. 다시 말해, 일 예에서, 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 부분이 3/7 내지 7/10의 범위에 있다. 다른 예에서, 저응력 실리콘 질화물에서의 실리콘의 부분이 45% 내지 60%의 범위에 있다. 3/7을 초과하는 실리콘 비율은 실리콘 질화물의 낮은 내부 응력을 제공한다. 예들에서, 2개의 제1 층(20) 중 하나 또는 양측 모두가 10nm 내지 150nm의 범위 또는 20nm 내지 100nm의 범위의 두께를 갖는다. 예를 들어, 두께는, 제1 및 제2 층들이 연장되는 평면에 수직인 방향으로의 치수에 관련된다. 예들에서, 2개의 제1 층은 동일한 두께를 갖는다. 따라서, 예를 들어, 편향가능 멤브레인은 대칭으로 구조화될 수도 있는데, 이는 진동 또는 음향 특성들에 이로울 수도 있다. 예들에서, 제2 층(30)은 100nm 내지 500nm의 범위 또는 150nm 내지 350nm의 범위의 두께를 갖는다. 다시 말해, 도 1에 관련하여 상술된 바와 같이, MEMS 트랜스듀서는, 저응력 실리콘 질화물 및 폴리실리콘으로 이루어지는 적층된 멤브레인을 포함할 수도 있는데, 이 적층된 멤브레인은, 예를 들어, 단지 폴리실리콘만으로 이루어지는 멤브레인과 비교하여, 실리콘 질화물로 인해 더 높은 강건성 및 높은 음향 컴플라이언스를 제공하는