DE102004011145B4

DE102004011145B4 - Mikrophon und Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons

Info

Publication number: DE102004011145B4
Application number: DE200410011145
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: DE102004011145A1

Abstract

Ein Mikrophon umfaßt eine Membranstruktur (11), die durch einen Druck auslenkbar ist, eine Gegenstruktur (16), wobei die Gegenstruktur (16) und die Membranstruktur (11) beabstandet angeordnet sind und wobei eine elektrische Kapazität zwischen der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) von einem Druck abhängt, wobei die Membranstruktur (11) einen Randbereich hat, in dem sie an einem Membranträger angebracht ist und aufgrund des Drucks nicht auslenkbar ist, und wobei der Randbereich der Membranstruktur (11) oder die Gegenstruktur (16) eine Ausnehmung hat, so daß eine Flächenüberlappung zwischen der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) im Randbereich reduziert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mikrophon und ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons, und insbesondere auf Halbleiter-Kondensatormikrophone.
Immer häufiger werden in technischen Geräten Mikrophone, die die Umsetzung eines akustischen Signals in ein elektrisches Signal durchführen, eingesetzt. Die zunehmende Verbesserung der Verarbeitung der Sprachsignale in den Mikrophonen nachgelagerten Einrichtungen, wie z. B. digitale Signalprozessoren, erfordert, daß auch die Eigenschaften der Mikrophone verbessert werden, da die Qualität der Sprachübertragung immer weiter zunimmt. Außerdem stellt die fortschreitende Miniaturisierung der Geräte, wie z. B. Mobiltelefone, auch die Anforderung, daß die Komponenten, wie z. B. die Mikrophone, die dort eingesetzt werden, ebenfalls in ihren Abmessungen reduziert werden. Daneben erfordert der zunehmende Kostendruck auf diese Geräte, wie z. B. Mobiltelefone oder Geräte mit Spracherkennungssystemen, Herstellungsverfahren für Mikrophone weiter zu vereinfachen. Entscheidender Vorteil von Si-Mikrophonen ist deren Temperaturstabilität. Sie können daher mit automatischen Bestückungsautomaten aufgebaut werden und bei Temperaturen von 260°C reflow gelötet werden.

Die DE 33 25 966 A1 zeigt ein Mikrophon, das eine Membran und eine Gegenelektrode hat. Die Kapazität des Mikrophons hängt von dem Abstand der Membran zu der Gegenelektrode ab. Eine im Randbereich der Gegenelektrode befindliche Fläche trägt zur Ausbildung der parasitären Kapazität bei. Die Gegenelektrode ist mit Aussparungen am Umfang versehen, um die parasitäre Kapazität zu reduzieren. Zwischen den Aussparungen sind sternförmige Ansätze gebildet.

Die US 2003/0094047 A1 zeigt ein Mikrophon mit einer Platte und einer Membran, wobei der Abstand zwischen der Membran und der Platte auf den Luftdruck hin variiert. Die Platte ist über mechanische Verbindungen bzw. Arme befestigt. Diese Befestigung über derartige mechanische Verbindungen dient zur Reduzierung der parasitären Kapazität in den Randbereichen der Membran.

In ihrer Veröffentlichung „Capacitive Microphone with low-stress polysilicon membrane and high-stress polysilicon backplate" aus Sensors and Actuators (2000) beschreiben Altti Torkkeli et alteri ein Mikrophon gemäß dem Stand der Technik. Das Mikrophon besteht aus einer Niedrigstress-Polysilizium-Membran, die bereits bei einem geringen Schalldruck ausgelenkt wird, und einer perforierten Hochstress-Membran, die erst bei einem hohen Schalldruck ausgelenkt wird. Beide Membranen sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Die Niedrigstress-Membran verändert ihre Form bei einem zu messenden Schalldruck, während die Form der perforierten Hochstress-Membran sich nicht ändert. Hierdurch ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Membranen. Die elektrische Isolation der beiden Membrane voneinander wird durch eine Siliziumdioxid- oder eine Siliziumnitridschicht erreicht.

Die Firma Knowles Acoustics (www.knowlesacoustics.com/html/sil_mic.html) bietet im Rahmen ihres Internetauftritts in der am 2. Februar 2004 gültigen Version Mikrophone unter der Bezeichnung SiSonic an, die unter Einsatz von Polysilizium-Schichten gefertigt werden, und die in standarisierten Fertigungsverfahren mit Pick-and-Place Maschinen auf Platinen montiert werden können.

Auch das Unternehmen Sonion (www.sonion.com) beschreibt in einer Application Note mit dem Titel „Introduction of Microphones", überarbeitet am 2. 9. 2002, miniaturisierte Mikrophone, deren Breite, Länge und Höhe jeweils geringer als 5mm sind.

Nachteilig an den bekannten Mikrophonen ist die vergleichsweise hohe statische Kapazität zwischen Membran- und Gegenstruktur. Die Membranstruktur wird durch Schalldruckschwankungen ausgelenkt, während die Gegenstruktur in ihrer Position verharrt und keine Auslenkung erfährt. Hierdurch ändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden. Gleichzeitig bleibt aber der Kapazitätsanteil, der aus den fest eingespannten Bereichen der Membranstruktur und der Gegenstruktur herrührt, konstant. Die Kapazität des Mikrophons kann also durch eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren symbolisiert werden, von denen ein erster Kondensator, der durch eine Elektrodenfläche zwischen den Randbereichsgrenzen gebildet wird, seine Kapazität in Abhängigkeit von dem Schalldruck ändert. Ein zweiter Kondensator in dieser Parallelschaltung, der durch die Elektrodenfläche links der Randbereichsgrenze und rechts der Randbereichsgrenze gebildet wird, ist von einer Intensität eines einfallenden Schalls unabhängig. Die Gesamtkapazität der Parallelschaltung variiert nur mit der Änderung der Kapazität des ersten Kondensators. Die prozentuale Empfindlichkeit, also die Kapazitätsänderung bezogen auf die Gesamtkapazität geteilt durch eine Schalldruckänderung, ist daher aufgrund der hohen statischen Kapazität begrenzt. Ein kleines Verhältnis der Kapazitätsänderung zur Gesamtkapazität führt dazu, daß ein hoher Aufwand zur Signalverarbeitung betrieben werden muß. Dies bedeutet wiederum, daß dem eigentlichem Silizium-Mikrophon nachgelagerte Signalverarbeitungsstufen aufgrund des kleinen Verhältnisses aufwendig und damit teuer und chipflächenintensiv sind, was wiederum die Preisreduktion bei der Massenherstellung des Mikrophonsystems aus Silizium-Mikrophon mit integrierter Auswerteschaltung einschränkt. Insbesondere sinkt das Signal zu Rauschverhältnis mit abnehmender aktiver Kapazität.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrophon zu schaffen, das preisgünstig integrierbar ist, und ein Verfahren zum Herstellen des Mikrophons.

Diese Aufgabe wird durch ein Mikrophon gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Randbereich der Membranstruktur, in dem die Membran an einem Membranträger angebracht ist und aufgrund des vorzugsweise dynamischen Drucks nicht auslenkbar ist, so in der Membranstruktur oder der Gegenstruktur Ausnehmungen einzubringen, so daß die Flächenüberlappung zwischen der Membranstruktur und der Gegenstruktur in dem Randbereich reduziert ist. Der Vorteil der Erfindung besteht in der besseren Empfindlichkeit des Mikrophons, die sich durch die dadurch erzielte Reduzierung der statischen Kapazität ergibt. Diese verbesserte Empfindlichkeit führt zu einer Aufwandsreduzierung in den dem Mikrophon nachfolgenden Signalverarbeitungseinheiten. Die Vorteile dieser Aufwandsreduzierung liegen in einer geringen Chipfläche des gesamten Mikrophonsystems, des Systems aus dem eigentlichen Mikrophon und der Schaltung zur Auswertung eines Mikrophonsignals, einer höheren Fertigungsausbeute und der damit verbundenen Kostenreduktionen für die Herstellung des Mikrophonsystems. Diese Vorteile überwiegen die mechanischen Nachteile eines geringeren Umfangs der Membran- und Gegenstruktureinspannung, also der Anteile einer Randbereichslinie, in denen die Membran und die Gegenstruktur keine Ausnehmungen haben und in den Membranträger eingespannt sind. Die Ausnehmungen in der Membran- und der Gegenstruktur bilden Stege zwischen diesen Ausnehmungen. Die Aufhängung der Membran an Stegen ist vorteilhaft zur Erhöhung der mechanischen Empfindlichkeit. Um die aufgrund der Stegaufhängung erhöhte Empfindlichkeit der Gegenelektrode zu reduzieren kann diese mit einer höheren Schichtspannung und/oder größerer Dicke ausgeführt sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Membran Durchlässe, so daß sie nur auf einen dynamischen Druck nicht aber auf einen statischen Druck anspricht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schemtische Schnittdarstellung des Mikrophons gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine Membranstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2b eine Gegenstruktur eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2c eine Draufsicht auf ein Mikrophon mit dargestellten Überlappungen;
3a eine vergrößerte Darstellung der Membranstruktur des Ausführungsbeispiels unter 2a–2c;
3b eine vergrößerte Darstellung der Gegenstruktur des Ausführungsbeispiels unter 2a–2c;
3c eine vergrößerte Darstellung der Membranstruktur und der Gegenstruktur des Mikrophons des Ausführungsbeispiels unter 2a–2c;
4 eine Darstellung des gesamten Mikrophonkörpers des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
5a–5h ein Verfahren zur Herstellung eines Ausführungsbeispieles eines Mikrophons gemäß der vorliegenden Erfindung;
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Man erkennt einen Membranträger 6, eine Membranstruktur 11, einen Luftpalt 15 zwischen der Membranstruktur 11 und einer Gegenstruktur 16, eine linke Randbereichsgrenze 21 und eine rechte Randbereichsgrenze 26. Die Membranstruktur 11 ist rechts von der Randbereichsgrenze 26 fest in den Membranträger 6 eingespannt und weist an der linken Randbereichsgrenze 21 eine Ausnehmung auf. Die Gegenstruktur 16 ist links von der Randbereichsgrenze 21 fest in den Membranträger 6 eingespannt und weist an der rechten Randbereichsgrenze 26 eine Ausnehmung auf. Zu erkennen ist anhand dieses Ausführungsbeispiels das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. Der Mikrophonkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist Ausnehmungen in der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 in dem Randbereich der Membranstruktur, also links von der Randbereichsgrenze 21 und rechts von der Randbereichsgrenze 26, auf. Somit überlappen sich die Membranstruktur 11 und die Gegenstruktur 16 in dem Randbereich nicht. Hierdurch wird in der Parallelschaltung der Kapazität des Sensors und der parasitären Kapazität die parasitäre Kapazität, die durch die Überlappung der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 in dem Randbereich entsteht, eliminiert. Die Empfindlichkeit des Mikrophonkörpers, also die prozentuale Kapazitätsänderung der kapazitiven Anordnung bei einem auf der Membranstruktur auftreffenden Schall steigt dadurch.
2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, indem es die Struktur einer Membran in Frontalsicht darstellt. Man erkennt die Membranstruktur 11, eine Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 61 in der Membranstruktur 11, eine Widerstandsschicht 66 und einen Anschluß der Memb ranstruktur 67. Wie in den folgenden 2b und 2c erläutert wird, sind die Ausnehmungen 61 so angeordnet, daß die Überlappungen zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 von dem Ausführungsbeispiel dieses Mikrophons außerhalb der kreisförmigen Randbereichsgrenze 56 reduziert sind.
2b erläutert die Anordnung der Gegenstruktur 16. Man erkennt die Gegenstruktur 16, die Randbereichsgrenze 56, Ausnehmungen 76 der Gegenstruktur 16, einen Anschluss 91 für die Gegenstruktur 16, einen Guardring 96, einen Anschluss 101 für den Guardring 96 und einen Kontakt 108 für die Membranstruktur 11 über den Vorladewiderstand 66. Die Ausnehmungen in der Gegenstruktur 16 sind so angeordnet, daß die Flächenüberlappung mit der Membranstruktur 11 reduziert ist, was die parasitären Kapazitäten verringert. Der Guardring 96, der in der Gegenstrukturschicht angeordnet ist, liegt auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden Potential, und schirmt damit zusätzlich die in dem Randbereich, also außerhalb des Kreises 56, entstehende parasitäre Kapazität zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 ab. Da der Guardring 96 in der selben Schicht liegt wie die Gegenstruktur 16, und diese möglichst gut abschirmen soll, weist der Guardring 96 unterschiedliche Breiten auf, eine geringe Breite in Bereichen, in denen er einem Steg der Gegenstruktur gegenüberliegt und eine große Breite in Bereichen, in denen er einer Ausnehmung 76 der Gegenstruktur 16 gegenüberliegt.
2c zeigt eine Draufsicht auf die Membran, wobei jetzt ein schematischer Aufbau des Mikrophons gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt wird, da jetzt sowohl die Membranstruktur 11 als auch die Überlappungen mit Ausnehmungen 76 der Gegenstruktur 16 dargestellt werden. Diese Überlappungen wären zum Teil normalerweise nicht sichtbar, sollen aber zum besseren Verständnis dargestellt werden. Man erkennt die Membranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56, die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61, die Widerstandsschicht 66, Bereiche 77 der Membranstruk tur 11, die den Ausnehmungen 76 der Gegenstruktur 16 gegenüber liegen, den Gegenstrukturanschluß 91, den Guardring 96, den Guardringanschluß 101, einen Kontakt 108 an der Widerstandsschicht 66 und einen Membrankontakt 110. Die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61 und die Bereiche 77 der Membranstruktur 11, die den Ausnehmungen 56 in der Gegenstruktur 16 gegenüber liegen, sind so angeordnet, daß die Flächenüberlappungen zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 im Vergleich zur Anordnung ohne Ausnehmungen reduziert sind. Der Guardring 96 liegt wiederum auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden Potential und trägt somit noch zusätzlich zur Abschirmung der parasitären Kapazitäten der Gegenstruktur 16 bei. Insbesondere ist das Potential, auf das der Guardring 96 gebracht wird zwischen dem Potential der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 und vorzugsweise auf dem Membran-Potential.
3a zeigt eine vergrößerte Darstellung der Membranstruktur 11 des Mikrophons, das auf dem in 2a–2c erläuterten Ausführungsbeipiel gemäß den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung entworfen wurde. Es zeigt die Membranstruktur 11, eine Steglänge 47 der Membranstruktur 11, die Randbereichsgrenze 56, die Ausnehmungen 61 in der Membranstruktur 11 und Korrugationsrillen 106. In diesem Ausführungsbeispiel sind 6 Korrugationsrillen in der Membranstruktur 11 eingebracht, jedoch könnte jede beliebige andere Anzahl an Korrugationsrillen vorzugsweise zwischen 3 und 20 in der Membranstruktur 11 vorhanden sein. Die Aufgabe der Korrugationsrillen ist es u. a., ein Auslenkverhalten eines aktiven Bereichs der Membranstruktur 11 zu unterstützen. In typischen Ausführungsbeispielen von Mikrophonen ist die Auslenkung einer Membranstruktur 11 innerhalb von den Korrugationsrillen 106, also auf der dem Membranträger 6 abgewandten Seite, größer als außerhalb der Korrugationsrillen 106. Die Ausnehmungen in der Membranstruktur 61 außerhalb der durch die Korrugationsrillen umschlossenen Fläche haben wiederum die Funktion, die Überlappung der Membranstruktur 11 mit der Gegenstruktur 16 in dem Randbereich der Membranstruktur 11 zu reduzieren.
In 3b ist eine vergrößerte Darstellung der Anordnung der Gegenstruktur 16 aufgeführt. Man erkennt in der Darstellung eine Steglänge 48 der Gegenstruktur 16, die Randbereichsgrenze 56, die Ausnehmungen 76 in der Gegenstruktur 16, den Anschluß für die Gegenstruktur 91, den Guardring 96, einen Gegenstrukturbereich 107, der einer Ausnehmung 61 in der Membranstruktur 11 gegenüberliegt, und einen Gegenstrukturbereich 111, der einem Bereich der Membranstruktur 11 gegenüber liegt, in dem diese keine Ausnehmungen hat. Die Steglänge 48 der Gegenstruktur 16 erstreckt sich von der Randbereichsgrenze bis zu einem äußeren Ende des Stegs der Gegenstruktur 16. Der Guardring 96 liegt dabei auf einem von der Gegenstruktur 16 abweichenden Potential, was dazu führt, daß das daraus resultierende elektrische Feld zur Abschirmung der parasitären Kapazitäten in dem Randbereich beiträgt. Auch die Ausnehmung 76 in der Gegenstruktur 16, die dem Bereich in der Membranstruktur 11 gegenüber liegen, in denen diese keine Ausnehmungen hat, tragen zur Reduzierung der parasitären Kapazitäten bei. Daneben zeigt diese Figur auch, daß in der Membranstruktur 11 in dem Randbereich eine Ausnehmung ist, die einem Bereich der Gegenstruktur 16 gegenüber liegt, in dem diese keine Ausnehmung hat, da die Gegenstruktur 11 in diesem Bereich zur mechanischen Stabilisierung an dem Membranträger 6 eingespannt ist.
3c zeigt eine vergrößerte Gesamtansicht frontal auf die Membranstruktur 11 und damit einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung und erläutert wiederum die Überlappungen zwischen Membran 11 und Gegenstruktur 16. Diese Überlappungen sind wiederum analog zu der Ansicht von 2c zum Teil eigentlich nicht sichtbar, jedoch aus Erläuterungszwecken dargestellt. Zu erkennen ist eine Überlappung 51 der Membranstruktur 11 mit der Gegenstruktur 16, die Ausnehmungen 61 in der Membran struktur 11, ein Membranbereich 77, der Ausnehmungen 76 in der Gegenstruktur 16 gegenüberliegt, der Gegenstrukturanschluß 91, der Guardring 96 und die Korrugationsrillen 106. Der Membranbereich 77, der Ausnehmungen 76 in der Gegenstruktur 16 gegenüberliegt, setzt sich aus zwei Bereichen zusammen, aus Bereichen 82, die dem Guardring 96 gegenüberliegen, und aus Bereichen 52, die dem Guardring 96 nicht gegenüberliegen. Die überlappenden Flächen zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 sind in den Randbereichen reduziert und die parasitären Kapazitäten, die ja vornehmlich in dem Randbereich auftreten, werden zusätzlich über den vorzugsweise vorgesehenen Guardring 96 abgeschirmt. Die statische Kapazität bildet sich somit nur zwischen den versetzt zueinander angeordneten Stegen der Membran- 11 und der Gegenstruktur 16 aus. Somit wird durch diese schräge Anordnung der Kondensatorplatten die feste Kapazität auf 5% des ursprünglichen Werts einer Anordnung ohne Ausnehmung abgesenkt. Auch wird die mechanische Stabilität der Anordnung mit Ausnehmungen in der Membran 11 und der Gegenstruktur 16 gegenüber einer Anordnug ohne Ausnehmungen reduziert. Die Reduktion der Stabilität kann durch einen höhere Gegenstrukturschichtdicke kompensiert werden.
Die Membranstruktur 11 wird dabei über den gesamten Bereich ausgelenkt, auch über die Korrugationsrillen hinaus an den Stegen. Die genaue Biegelinie weicht etwas von derjenigen einer Kreismembran ab. Die wesentliche Rolle der Korrugatiosrillen 106 liegt darin den vorhandenen Schicht-Zugstress in der Membranstruktur 11 zumindest teilweise zu relaxieren, wobei aber ein typisches Membranverhalten der Membranstruktur 11 weiterhin vorhanden ist.
4 zeigt eine Gesamtansicht der in 2c gezeigten Anordnung, wobei jetzt in dieser Gesamtanordnung auch die Korrugationsrillen 106 dargestellt sind, eine Widerstandskontaktierung 108, eine Guardringkontaktierung 109, eine Membrankontaktierung 110 und eine Substratkontaktierung 112. Die Gesamtanordnung aus 2c mit den Kontaktierungen 108, 109, 110, 112 befindet sich in einem Mikrophonkörperrahmen 116. Die Substratkontaktierung 112 ist mit dem Anschluß 91 für die Gegenstruktur 16 leitend verbunden. Die Gegenstruktur 16 liegt damit auf dem selben Potential wie ein Substrat des Mikrophons. Die Widerstandskontaktierung 108 ist über die Widerstandsschicht 66 mit der Membranstruktur 11 leitend verbunden. Die Guardringkontaktierung 109 ist mit dem Guardring 96 leitend verbunden, während die Membrankontaktierung 110 an die Membranstruktur 11 angeschlossen ist.
5a–5h zeigen ein Herstellungsverfahren für ein Mikrophon nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. 5a zeigt ein Substrat 146, auf dem eine Ätzstoppschicht 151 aufgebracht wird, auf der wiederum die Gegenstrukturschicht 16 aufgebracht wird. In der Gegenstrukturschicht 16 werden Löcher 156 freigeätzt. Anschließend wird, wie in 5b gezeigt, auf einem in 5a gezeigten Mehrschichtenaufbau eine Opferschicht 161 aufgebracht, wobei die Opferschicht auch eine Oberfläche des Mehrschichtenaufbaus bedeckt, auf der bereits die Gegenstruktur aufgebracht wurde. In einem weiteren Verfahrensschritt werden Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 freigeätzt. Während einem folgenden Phototechnikschritt werden Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 in der Opferschicht 161 freigeätzt, wobei (hier nicht gezeigt) diese Ausnehmungen 171 für Anti-Sticking-Bumps 172 auch in den Ausnehmungen 166 für die Korrugationsrillen 106 geätzt werden können. Anschließend wird, wie in 5c gezeigt, eine Membranstrukturschicht 11 auf der Opferoxidschicht 161 aufgebracht, so daß die Membranstruktur 11 auch die Ausnehmungen 171 für die Anti-Sticking-Bumps 172 und die Ausnehmungen 166 für Korrugationsrillen 106 füllt, so daß die Anti-Sticking-Bumps 172 und die Korrugationsrillen 106 Teil der Membranstrukturschicht 11 sind. Danach wird die Membranstruktur 11 noch in einer geeigneten Weise strukturiert, damit ihre Abmessungen die weiteren Fertigungsschritte ermöglichen.
Die Anti-Sticking-Bumps 172 sind insbesondere spitze vorzugsweise pyramiden- oder nadelförmige Erhöhungen in der Membranstruktur 11. Bei einer zu starken Auslenkung der Membranstruktur 11 in Richtung der Gegenstruktur 16 berühren zuerst die Anti-Sticking-Bumps 172 die Gegenstruktur 16. Sie dienen dazu, die Oberfläche, mit der sich die Membran- 11 und die Gegenstruktur 16 berühren gering zu halten, und damit ein Festhaften der Membranstruktur 11 an der Gegenstruktur 16 zu erschweren. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Mikrophons aufgrund von elektrischer Überspannung oder kondensierter Feuchte im Luftspalt, deren Verdampfen aufgrund der Oberflächenspannung zu einem Ankleben einer glatten Membran führen würde.
In einem nachfolgenden Herstellungsschritt wird die Opferschicht 161 strukturiert, so daß sie, wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt, zum Teil bis an die Kante der Gegenstruktur 16 reicht, aber auch die Gegenstruktur 16 teilweise freigelegt wird. Diese Freilegung der Gegenstrukturschicht 16 ermöglicht eine Kontaktierung von dieser mittels eines Kontaktlochs, das in den weiteren Schritten erzeugt wird.
Danach wird auf den Mehrschichtenaufbau aus 5d eine Zwischenoxidschicht 176 aufgebracht. In der Zwischenoxidschicht 176 werden Durchkontaktierungen eingebracht, eine für ein Membrankontaktloch 181, eine für ein Gegenstrukturkontaktloch 186 und jeweils eine für den Substratanschluß und den Guardringanschluß, wobei die Durchkontaktierungen für den Substratanschluß und den Guardringanschluß hier nicht gezeigt sind. Auf dem Zwischenoxid 176 werden elektrische Kontakte z. B. aus metallischen Materialien aufgebracht, so daß die Membrankontaktierung 110 entsteht, die mit dem Membrankontaktloch 181 leitend verbunden ist, und eine Gegenstrukturkontaktierung 112 entsteht, die mit dem Gegenstrukturkontaktloch 186 leitend verbunden ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Zwischenoxid 176 von einem Teil der Membranstruktur 11 wieder entfernt um den in 5e dargestellten Mehrschichtenaufbau zu erhalten.
Der Mehrschichtenaufbau aus 5e wird in dem nächsten Fertigungsschritt mit einer Schutzpassivierungsschicht 211 auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche überzogen. Danach wird die Schutzpassivierungsschicht 211 von der Membranstruktur 11, in dem Bereich außerhalb des Randbereichs und einem Teil des Randbereichs, von einem Teil der Membrankontaktierung 110 und von einem Teil der Gegenstrukturkontaktierung 112 entfernt. Dieses Entfernen der Schutzpassivierungsschicht 211 kann beispielweise in einem maskierten Ätzprozeß erfolgen. Der so gewonnene Mehrschichtenaufbau ist in 5f gezeigt.
Danach werden Wafer, die die Chips umfassen, die den dargelegten Mehrschichtenaufbau aufweisen, gedünnt. Selbstverständlich können auch einzelne Chips gedünnt werden, jedoch ist aus Kostengründen das Dünnen von Wafern häufig vorteilhaft. Dies führt zu einer Reduzierung der Dicke des Substrats 146. Danach wird eine Maskierungsschicht 221 auf der der Membranstruktur 11 abgewandten Oberfläche des Substrats 146 aufgebracht. In einem weiteren Phototechnikschnitt wird die Maskierungsschicht 221, in den Bereichen, in denen das Substrat 146 freigeätzt werden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Hartmaskenschicht 221 wird häufig ebenfalls durch einen maskierten Ätzprozeß durchgeführt. Anschließend wird das Substrat 146 von der Oberfläche aus, die zumindest teilweise mit der Hartmaske 221 bedeckt ist, in einem anisotropen Trockenätzungsverfahren freigeätzt, wobei dieser Freiätzungsprozeß auf der Ätzstoppschicht 151 angehalten wird. Das Substrat 146 weist damit in einem nicht von der Hartmaske 221 bedeckten Bereich eine Ausnehmung 226 auf, deren Tiefe bis zur Ätzstoppschicht 151 reicht. Der daraus resultierende Aufbau ist in 5g dargestellt. In der Regel reicht für die Ausnehmung des Substrats 226 eine Fotolackmaske. Der Ätzprozeß ist ein anisotroper Trockenätzprozeß bzw. DRIE – deep reactive ion etch – oder auch der sogenannte Bosch-Prozeß.
In einem nächsten Fertigungsschritt wird die Ätzstoppschicht 151 innerhalb Randbereichsgrenzen 241 entfernt und anschließend auch die Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 durch Löcher 231 in der Gegenstruktur 16 hindurch freigeätzt. Hierdurch entstehen Perforierungen 231 in der Gegenstruktur 16 und ein Luftspalt 236 zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16. Idealerweise sind die Ätzstoppschicht 151 und die Opferschicht 161 in demselben Material ausgeführt, so daß der Vorgang des Freiätzens der Ätzstoppschicht 151 und der Opferschicht 161 innerhalb der Randbereichsgrenzen 241 zu einem einzigen Fertigungsschritt zusammengefaßt werden können. Anschließend wird der dargestellte Mehrschichtenaufbau noch einem Trocknungsverfahren unterzogen, bevor die einzelnen Chips, die die Mikrophonvorrichtung tragen, aus dem Wafer herausgesägt werden. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Vereinzelung bezeichnet. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die in
5a–5h durchgeführten Fertigungsschritte auch an einzelnen Chips durchgeführt werden können, wodurch der Schritt der Vereinzelung vor dem Freiätzen ausgeführt würde. Die resultierende Vorrichtung ist in 5h dargestellt.
In obigen Ausführungsbeispielen kann das Substrat 146 beispielsweise als Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium ausgeführt sein. Die Ätzstoppschicht 151 kann beispielsweise als Oxidschicht vorliegen. Die Gegenstruktur und Membranstruktur können vorzugsweise in demselben Material, aber auch in unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein, wobei die eingesetzten Materialien vorteilhafterweise gut leitend sind, wie z. B. metallische Schichten oder hochdotierte Halbleiterschichten wie beispielsweise Poly-Silizium. Die Opferschicht 161 kann in einem beliebigen isolierenden Material ausgeführt sein, wie vorteilhafterweise häufig bei Halbleitersubstraten einem Oxid, wie z. B. Siliziumdioxid. Auch die Zwischenoxidschicht 176 und die Passivierungsschicht 211 können in beliebigen isolierenden Materialien ausgeführt sein, wie vorteilhafterweise bei Halbleitersubstraten aus Oxiden oder Nitriden, wie z. B. bei Silizium Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Auch kann der in 4 dargestellte Aufbau eines Mikrophons gemäß der vorliegenden Erfindung eine beliebige Form aufweisen, und die Zahl der Ausnehmungen beliebig hoch sein. Sie liegt aber vorzugsweise unter Berücksichtigung der momentan eingesetzten Strukturbreiten in der Halbleitertechnologie und der daraus resultierenden Abschätzungen für Abmessungen des Mikrophons zwischen 3 und 20. Auch können die Ausnehmungen in beliebiger Form ausgeführt sein, vorteilhaft ist jedoch, diese in bogenförmiger oder winkliger Form einzubringen. Eine in obigen Ausführungsbeispielen als Guardring implementierte Guardstruktur, die zur Abschirmung der Gegenstruktur 16 dient, ist ringförmig und in sich geschlossen, jedoch könnte jede beliebige andere geometrische Form gewählt werden, die in sich auch nicht geschlossen sein kann, um die Gegenstruktur abzuschirmen.
Obige Ausführungsbeispiele zeigen, daß ein Mikrophon gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die trockene Rückseitenätzung, wie die DRIE-Ätzung, nutzt, um minimale Chipflächen zu gewährleisten. Im Gegensatz zu einem elektrochemischen Ätzstoppverfahren, das in handelsüblichen Chips des Unternehemens Infineon eingesetzt wird, stoppt die DRIE-Ätzung beispielsweise auf einer Oxidschicht 151 und vereinfacht damit die Technologie enorm. Zu diesem Zweck wird eine Poly-Si-Membran 11 sowie eine perforierte Poly-Si-Gegenelektrode 16 z. B. eingesetzt. Damit die parasitären Kapazitäten minimal werden, kann auch die Gegenstruktur 16 beispielsweise als netzförmige Membran bzw. Elektrode ausgeformt werden. Hierbei können dann auch gleichzeitig durch eine geschickte Anordnung die Fußpunktkapazitäten beschränkt bzw. getrapped werden. Die Anzahl der Phototechniken verrin gert sich durch diese Vorgehensweise gegenüber einem Ausführungsbeispiel eines Mikrophons des Stands der Technik von 16 auf 10 Ebenen.
Auch können z. B. eine netzförmige Poly-Si-Membran und eine netzförmige Poly-Si-Gegenelektrode verdreht zueinander angeordnet werden, so daß die Überlappung der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 reduziert wird. Dies erlaubt z. B. bei einem Doppel-Poly-Membransystem eine gleichzeitige Schirmung parasitärer Kapazitäten der Membranelektrode 11.
Obige Ausführungsbeispiele haben gezeigt, daß die Membran über eine beliebige Anzahl wie z. B. 15 Stege an der Opferschicht 161, die auf dem Substrat 146 aufgebracht ist, aufgehängt ist, vorzugsweise liegt die Anzahl der Stege zwischen 3 und 20. In den obigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hat die Gegenstruktur eine der Membran ähnliche Form und ist in dem Randbereich, in dem die Ausnehmungen auftreten, mit Löchern perforiert. Vorteilhafterweise wird in derselben Schicht der Gegenstruktur 16 auch die Guardstruktur festgelegt. Die Guardstruktur ist dabei häufig, besonders bei kreisförmigen Membran- 11 und/oder Gegenstrukturen 16, als Guardring 96 ausgeführt. Idealerweise überlappen dann Membranstruktur 11 und Gegenstruktur 16 nur im aktiven Bereich, der innerhalb der Randbereichsgrenzen 21, 26, 56 liegt. Vorteilhafterweise setzen die Enden der Membranstege, also die Bereiche der Membranstruktur 11, die zwischen den Ausnehmungen in der Membranstruktur 11 liegen, in dem Bereich der Guardstruktur 96 auf, wobei zwischen der Guardstruktur 96 und der Membranstruktur 11 die Opferschicht 161 liegt. Hierdurch werden die parasitären Kapazitäten in diesem Aufbau deutlich reduziert.
Obige Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung können in quadratischen Chips implementiert werden, die beispielsweise eine Länge und eine Breite von 1,4 mm haben und eine Dicke von 0,4 mm. Der freie Membrandurchmesser könnte in dieser Anordnung ca. 1 mm betragen. Dabei kann eine 250 nm dicke Polysiliziummembran mit Anti-Sticking-Bumps 172 und sechs Korrugationsrillen 106 implementiert werden. Die Korrugationsrillen unterstützen wiederum das Auslenkverhalten des Mikrophons und erhöhen damit die Empfindlichkeit. Die Membranstruktur 11 läßt sich in dieser Anordnung beispielsweise an 15 Stegen aufhängen, die mechanisch 15 Federn entsprechen. Der Membranstruktur 11 kann eine Gegenstruktur 16 aus 400 nm dickem Polysilizium gegenüberliegen, das vorteilhafterweise auch über 15 Stege aufgehängt sein kann, was einem mechanischen Verhalten von 15 Federn entspricht. Die Durchmesser der Perforationslöcher 231 können beispielsweise bei 2 μm liegen und die Gegenstruktur 16 kann einen Perforationsgrad von ca. 30 % aufweisen, um eine vorteilhafte Durchführung des Fertigungsverfahrens zu ermöglichen. Ein typischer Wert für den Abstand zwischen der Membranstruktur 11 und der Gegenstruktur 16 ist in dieser Anordnung ca. 2 μm, was zugleich der Dicke der Opferschicht 161 entspricht.

6: Membranträger
11: Membranstruktur
15: Luftspalt
16: Gegenstruktur
21: linke Randbereichsgrenze
26: rechte Randbereichsgrenze
47: Steglänge der Membranstruktur
48: Steglänge der Gegenstruktur
51: Überlappung Membranstruktur mit Gegenstruktur
52: Gegenstrukturausnehmung nicht gegenüber Guardring
56: Randbereichsgrenze
61: Ausnehmungen in der Membranstruktur
66: Widerstandsschicht
67: Anschluß der Membranstruktur
76: Ausnehmungen in der Gegenstruktur
77: Membranstrukturbereich gegenüber
: Gegenstrukturausnehmung
82: Gegenstrukturausnehmung gegenüber Guardring
91: Gegenstrukturanschluß
96: Guardring
101: Guardringanschluß
106: Korrugationsrille
107: Gegenstrukturbereich gegenüber Membranausnehmung
108: Widerstandskontaktierung
109: Guardringkontaktierung
110: direkte Membrankontaktierung
111: Gegenstrukturbereich nicht gegenüber
: Membranausnehmung
112: Substratkontaktierung
146: Substrat
151: Ätzstoppschicht
156: Löcher in der Gegenstruktur
161: Opferschicht
166: Ausnehmung für Korrugationsrille
171: Ausnehmung für Anti-Sticking-Bump
172: Anti-Sticking-Bump
176: Zwischenoxid
181: Membrankontaktloch
186: Gegenstrukturkontaktloch
211: Schutzpassivierung
221: Maskierungsschicht
226: Substratausnehmung
231: Gegenstrukturperforierung
236: Luftspalt zwischen Membranstruktur und Gegenstruktur
241: Randbereichsgrenze

Claims

Mikrophon mit folgenden Merkmalen: einer Membranstruktur (11), die durch einen Druck auslenkbar ist; einer Gegenstruktur (16); wobei die Gegenstruktur (16) und die Membranstruktur (11) beabstandet angeordnet sind, und wobei eine elektrische Kapazität zwischen der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) von dem Druck abhängt; wobei die Membranstruktur (11) einen Randbereich hat, in dem sie an einem Membranträger (6) angebracht ist und aufgrund des Drucks nicht auslenkbar ist; und wobei der Randbereich der Membranstruktur (11) mindestens zwei benachbarte Ausnehmungen hat, die voneinander beabstandet sind, so dass sich zwischen den mindestens zwei Ausnehmungen (61) ein Steg ergibt; und wobei die Gegenstruktur (16) mindestens eine Ausnehmung (76) hat und strukturiert ist, um die mindestens eine Ausnehmung (76) an einer Position zu haben, die dem Steg der Membranstruktur (11) gegenüberliegt, so daß eine Flächenüberlappung zwischen der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) im Randbereich reduziert ist.
Mikrophon gemäß Anspruch 1, bei dem eine Anzahl von den Ausnehmungen (61,76) in der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) gebildeter Stege mindesten 3 beträgt.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Ausnehmungen (61, 76) bogenförmig oder winklig sind.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine von der Gegenstruktur (16) isolierte Guardstruktur (96), die leitend und auf ein von der Gegenstruktur (16) abweichendes Potential bringbar ist, benachbart zur Gegenstruktur (16) angeordnet ist.
Mikrophon gemäß Anspruch 4, bei dem die Guardstruktur (96) in einem Bereich vorhanden ist, der einem Bereich der Membranstruktur (11) gegenüber liegt, in dem der Steg ausgebildet ist.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das in einem Mehrschichtenaufbau mit einer Substratschicht (146) ausgeführt ist, und bei dem sich die Gegenstruktur (16) zwischen der Substratschicht (146) und der Membranstruktur (11) befindet.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem mindestens ein Anti-Sticking-Bump (172) auf der Membranstruktur (11) auf der der Gegenstruktur (16) zugewandten Seite aufgebracht ist.
Mikrophon gemäß Anspruch 7, bei dem der mindestens eine Anti-Sticking-Bump (172) auf der Membranstruktur (11) zu Perforierungen (231) in der Gegenstruktur (16) beabstandet ist.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, das einen aktiven Bereich hat, wobei der aktive Bereich der Membranstruktur (11) der Bereich ist, in dem diese durch den Druck über eine vorbestimmte Grenze auslenkbar ist, wobei zwischen dem aktiven Bereich und dem Randbereich eine Korrugationsrille (106) ausgebildet ist.
Mikrophon gemäß Anspruch 9, bei dem die vorbestimmte Grenze zwischen 2 % und 25 % einer Maximalauslenkung des aktiven Bereichs beträgt.
Mikrophon gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem sich die Ausnehmungen (61, 76) vom Randbereich bis zum aktiven Bereich der Membranstruktur (11) erstrecken.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem sich die Ausnehmungen (61,76) maximal bis zur Korrugationsrille (106) erstrecken.
Mikrophon gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem ein Anti-Sticking-Bump (172) auf der Korrugationsrille (106) auf einer der Gegenstruktur (16) zugewandten Seite aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Membranstruktur (11), die durch einen Druck auslenkbar ist; Bereitstellen einer Gegenstruktur (16), wobei die Membranstruktur (11) von der Gegenstruktur (16) beabstandet ist, und wobei eine elektrische Kapazität zwischen der Membranstruktur (11) und der Gegenstruktur (16) von einem Druck abhängt, wobei die Membranstruktur (11) einen Randbereich hat, in dem sie an einem Membranträger (6) angebracht ist, und der aufgrund des Drucks nicht auslenkbar ist; wobei im Schritt des Bereitstellens der Membranstruktur (11) zwei benachbarte Ausnehmungen (61) in dem Randbereich der Membranstruktur (11) erzeugt werden, die voneinander beabstandet sind, so dass sich zwischen den Ausnehmungen (61) ein Steg ergibt; und wobei im Schritt des Bereitstellens der Gegenstruktur (16) eine Ausnehmung (76) in der Gegenstruktur (16) erzeugt wird an einer Position, die dem Steg der Membranstruktur (11) gegenüberliegt, so daß eine Flächenüberlappung zwischen der Membran- (11) und der Gegenstruktur (16) in dem Randbereich reduziert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons gemäß Anspruch 14, bei dem vor einem Schritt eines Aufbringens der Membranstruktur (11), ein Mehrschichtenaufbau erzeugt wird, wobei die Gegenstruktur (16) auf einem Substrat (146) aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons gemäß Anspruch 15, das folgenden weiteren Schritt umfaßt: Ätzen einer Ausnehmung (166) für eine Korrugationsrille (106) in einer Opferschicht (161), die auf dem Mehrschichtenaufbau aufgebracht ist, der das Substrat (146), eine Ätzstoppschicht (151) zum Aufhalten eines Substratätzprozesses und die Gegenstruktur (16) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons gemäß Anspruch 16, das folgenden weiteren Schritt umfaßt: Ätzen einer Ausnehmung (171) für einen Anti-Sticking-Bump (172) in der Opferschicht (161), die auf dem Mehrschichtenaufbau aufgebracht ist, der das Substrat (146), die Ätzstoppschicht (151) zum Aufhalten des Substratätzprozesses und die an die Opferschicht (161) angrenzende Gegenstruktur (16) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrophons gemäß Anspruch 16 oder 17, das folgenden weiteren Schritt umfaßt: Ätzen der Ätzstoppschicht (151) zum Aufhalten des Substratätzprozesses und der Opferschicht (161) von einer Seite des Substrats (146) aus, die einer Seite des Substrats (146) gegenüber liegt, in der die Ätzstoppschicht (151) eingebracht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner einen Schritt des Erzeugens einer Ausnehmung (171) für einen Anti-Sticking-Bump (172) in der Ausnehmung (166) für die Korrugationsrille (106) und in der Oberseite neben der Korrugationsrille (106) aufweist.