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Die
Erfindung betrifft ein Mikrofon in MEMS-Bauweise (Micro Electro
Mechanical System), welches als miniaturisiertes Bauelement mittels Dünnschichtverfahren
auf der Oberfläche
eines Substrates hergestellt werden kann.
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Ein
Mikrofon in MEMS-Bauweise ist beispielsweise aus
US 5,490,220 A bekannt. Zur
Herstellung eines solchen Mikrofons wird auf einem Substrat ein
Dünnschichtaufbau
erzeugt, der zumindest eine in den Dünnschichtaufbau eingebettete
Membran umfasst, die in einem späteren
Verfahrensschritt aus ihrer Einbettung befreit, indem die sie umhüllenden
beziehungsweise einschließenden
Schichten durch Ätzen
entfernt werden.
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Das
Funktionsprinzip basiert hier auf einem Kondensator, dessen Kapazität mit der
schwingenden Membran variiert. Dementsprechend ist neben der Membran
noch eine weitere leitfähige
Schicht als Gegenelektrode vorgesehen, die innerhalb des gleichen
Schichtaufbaus verwirklicht sein kann.
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Zur
Signalverarbeitung eines solchen MEMS-Mikrofones sind integrierte
Schaltung in Form von Halbleiterbauelementen erforderlich, wobei
bekannte MEMS-Mikrofone typisch in ein gemeinsames Package eingebaut
sind und so Hybridbauelemente darstellen. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, ein MEMS-Mikrofon
zusammen mit einem IC-Bauelement in einem Modul zu integrieren.
In allen Fällen werden
jedoch Mikrofone erhalten, die eine relativ große Silizium- beziehungsweise
Halb leiterfläche
benötigen
und die daher nur aufwendig gehäust
oder in ein Package eingearbeitet werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Mikrofon in MEMS-Bauweise
anzugeben, welches einen kompakten Aufbau aufweist und einfach herzustellen
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons
sind weiteren Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung gibt ein Mikrofon an, welches einen Dünnschichtaufbau aufweist, der
auf einer Trägerplatte
aufgebracht ist und zumindest eine elektrisch leitende Membran umfasst,
die auf beiden Seiten frei schwingend in einem freien Volumen angeordnet
ist. Im Abstand zur Membran ist eine leitfähige Schicht angeordnet, die
zusammen mit der Membran einen Kondensator ausbildet. Die Trägerplatte
wiederum ist mit einem eine integrierte Schaltung umfassenden IC-Bauelement,
auf dem sie aufsitzt, mechanisch fest verbunden. Der aus Membran
und leitfähiger
Schicht gebildete Kondensator ist elektrisch mit der integrierten
Schaltung verbunden.
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Die
Verbindung zwischen Trägerplatte
und IC-Bauelement ist vorzugsweise eine Waferbondverbindung. Dies
erlaubt eine integrierte Fertigung des MEMS-Mikrofons zusammen mit
dem IC-Bauelement
auf Waferebene. Das so erhaltene Bauelement ist kompakt und gut
handhabbar. Da das IC-Bauelement praktisch eine Bodenplatte des
Mikrofons darstellt, sind mit dieser Form der Anordnung die mechanisch
empfindlichen Teile insbesondere die Membran des Mirkofons weitgehend
geschützt.
Für das
Mikrofon wird kein weiteres Trägersubstrat
benötigt,
da die nötige
Stabilität
durch das IC-Bauelement gewährleistet
ist. Gleichzeitig ist es möglich,
die Größe des Gesamtbauelements
so zu reduzieren, dass sie geringer ist als die Summe getrennt handhabbarer Komponenten
wie dem mikromechanischen Bauteil und dem IC-Bauelement. Dies ermöglicht eine
weitere Miniaturisierung und damit verbunden eine Kosteneinsparung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist sowohl die Membran als auch die elektrisch leitfähige Schicht
aus dotiertem Polysilizium ausgebildet. Damit wird in einfacher
Weise eine elektrisch leitfähige Membran
erhalten, die keine zusätzliche
leitfähige Beschichtung
erfordert. Die mechanischen Eigenschaften von Polysilizium sind
gut für
den gewünschten
Einsatzzweck als Membran geeignet. Außerdem lässt sich Polysilizium in einfacher
Weise in gewünschter
Modifikation in einem kontrollierten Verfahren erzeugen.
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Die
elektrische Verbindung zwischen der Membran, der leitfähigen Schicht
und den entsprechenden Anschlüssen
auf der Oberfläche
des IC-Bauelements kann über
Bunddrähte
erfolgen, die metallisierte Kontakten auf der Oberfläche des MEMS-Mikrofons und entsprechende
freiliegende Kontakte auf der Oberfläche des IC-Bauelements verbinden.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die Trägerplatte
aus einem beliebigen kristallinen, keramischen oder sonstigem harten
Werkstoff bestehen, der als Grundlage für den Dünnschichtaufbau dienen kann. Vorzugsweise
besteht die Trägerplatte
jedoch aus einem Material, welches in an sich bekannten Standardverfahren
der Mikrosystemtechnik oder der Mikroelektronik erzeugt und strukturiert
werden kann. Vorzugsweise ist die Trägerplatte daher aus Silizium. Möglich ist
es jedoch auch, diese aus Glas, einem anderen Halbleiter oder einem
anderen kristallinen Substrat zu fertigen.
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In
einer zweiten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße Mikrofon
keine Bonddrähte
auf. Vielmehr ist der Schichtaufbau auf einer elektrisch leitfähig eingestellten
Trägerplatte
angeordnet, die mit Membran und leitfähiger Schicht einerseits sowie mit
den Anschlussflächen
am IC-Bauelement andererseits elektrisch leitend verbunden ist.
Durch entsprechende Strukturierung der Trägerplatte werden elektrisch
leitende Verbindungen geschaffen, die zwei elektrisch voneinander
getrennte Anschlüsse für den das
Mikrofon bildenden Kondensators darstellen.
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Die
elektrisch leitende Verbindung zwischen Membran und elektrisch leitender
Trägerplatte
einerseits sowie zwischen elektrisch leitender Schicht und Trägerplatte
andererseits kann durch Polysiliziumstrukturen ausgebildet sein,
die im Dünnschichtaufbau
integriert sind.
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Im
erfindungsgemäßen Mikrofon
ist die Membran über
einer Ausnehmung der Trägerplatte angeordnet.
Nach oben hin ist die Membran mit einer im Abstand zu ihr angeordneten
starren Deckschicht überdeckt,
die vorzugsweise innen mit der leitfähigen Schicht beschichtet ist
und Schalleintrittsöffnungen aufweist.
Die Membran ist vorzugsweise nur über ihre elektrische Zuleitung
mit dem Dünnschichtaufbau
fest verbunden. Im übrigen
Bereich kann die Membran frei auf der Trägerplatte aufliegen. Durch geeignete
Abstandsstrukturen wird die Membran in einem gewünschten Abstand zur Deckschicht
und damit zur elektrisch leitenden Schicht gehalten.
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Durch
diese lose Halterung der Membran werden einerseits herstellungsbedingte
Spannungen in der Membran vermieden und andererseits ein leichtes
Anschwingen der Membran unter Einwirkung von Schallwellen ermöglicht.
Die Deckschicht ist integriert im Dünnschichtaufbau ausgebildet
und schützt die
mechanisch empfindliche Membran von oben. Die Schalleintrittsöffnungen
darin können
mit z.B. runden und relativ zur Fläche der Membran gesehen kleinen Öffnungen
ausgebildet werden.
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Die
Ausnehmung in der Trägerplatte
unterhalb der Membran ermöglicht
ein freies Schwingen der Membran nach unten, schafft gleichzeitig
ein freies Volumen zum Druckausgleich. Nach unten ist die Ausnehmung
vom IC-Bauelement verschlossen.
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Die
Verbindung der Trägerplatte
zum IC-Bauelement erfolgt durch Waferbonden, vorzugsweise durch
ein Waferbondverfahren, welches bei relativ niedrigen Temperaturen
von z.B. unterhalb 400 Grad Celsius durchgeführt werden kann. Ein geeignetes
Verfahren ist beispielsweise eutektisches Bonden, bei dem durch
Inkontaktbringen und Aufschmelzen zweier geeigneter unterschiedlicher
Materialschichten an der Grenzfläche
ein bei niedrigerer Temperatur als die Einzelmaterialien schmelzendes Eutektikum
gebildet wird, welches die mechanische Verbindung von Trägerplatte
und IC-Bauelement gewährleistet.
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Die
Verbindung zwischen Trägerplatte
und IC-Element kann großflächig erfolgen.
Möglich
ist es jedoch auch, die Verbindung nur an bestimmten Stellen vorzusehen,
die so über
die Oberfläche
des IC-Bauelements verteilt sind, dass zum Einen sowohl eine mechanisch
stabile Verbindung, als auch zum Andern in der Variante ohne Bonddrähte die
entsprechenden elektrischen Verbindungen gegeneinander isoliert
hergestellt werden können.
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Als
elektrisch leitendes Material für
die Trägerplatte
wird vorzugsweise dotiertes Silizium eingesetzt. Dies hat den Vorteil,
dass bei Verwendung eines IC-Bauelements aus Silizium gleiche Materialien durch
das Waferbonden verbunden werden können, sodass herstellungsbedingte
thermische Verspannungen zwischen IC-Bauelement und Trägerplatte minimiert
sind.
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Eine
bevorzugte Verbindung zwischen Trägerplatte und IC-Bauelement erfolgt über ein
Eutektikum, welches aus Silizium und Gold gebildet wird. Doch sind
auch andere Eutektika als Verbindungsmaterialien geeignet, die die
nötige
elektrische Leitfähigkeit
aufweisen. Ebenso sind prinzipiell auch andere Verbindungstechnologien
geeignet. Für
die erfindungsgemäße Ausführungsform
mit Bonddrähten sind
eine Anzahl weiterer Materialien zur Herstellung der Verbindung
zwischen Trägerplatte
und IC-Bauelement geeignet.
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Das
IC-Bauelement umfasst zumindest eine integrierte Schaltung, die
zur Aufbereitung und Verarbeitung der vom Mikrofon gelieferten elektrischen Messsignale
geeignet ist. Dementsprechend ist im IC-Bauelement eine Schaltung
realisiert, die ein Ausgangssignal liefert, das von der Kapazität des durch das
Mikrofon gebildeten Kondensators abhängig ist. Dies kann ein von
der Kapazität
abhängiger
Strom oder vorzugsweise eine von der Kapazität abhängige Spannung sein. Die integrierte
Schaltung kann dabei das Ausgangssignal in z.B. linearer oder beliebiger anderer
Abhängigkeit
vom Messsignal erzeugen.
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Das
IC-Bauelement kann auch einen Analog-Digitalkonverter umfassen,
sodass das über
die variierbare Kapazität
gelieferte Messsignal vom IC-Bauelement als digitales Ausgangssignal
ausgegeben werden kann. Im IC-Bauelement kann außerdem ein Verstärker integriert
sein, der es ermöglicht, das
Ausgangssignal des IC's
beispielsweise direkt ohne Zwischenschaltung eines weiteren Verstärkers auf
einen Lautsprecher zu geben. Möglich
ist es jedoch auch, das Ausgangssignal einem Speichermedium oder
einer Datenleitung zuzuführen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung und insbesondere das Herstellverfahren
für das
erfindungsgemäße Mikrofon
anhand von Ausführungsbeispielen und
der dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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Die
Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind
daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche
oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
anhand eines schematischen Querschnitts ein erstes Ausführungsbeispiel,
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel im
Querschnitt,
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3 zeigt
ein Bauelement in schematischer Draufsicht,
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4 zeigt verschiedene Verfahrensstufen bei
der Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofons.
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1 zeigt
in stark schematisierter und vereinfachter Darstellung ein erstes
einfaches Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Mikrofon gliedert sich vom Aufbau her in einen
MEMS-Teil, der separat als MEMS-Bauelement gefertigt ist, sowie
in das IC-Bauelement ICB. Der vom Prinzip her bekannte MEMS-Aufbau
für das
Mikrophon ist auf einer Trägerplatte
TP angeordnet, auf der zunächst
ein Dünnschichtaufbau
mithilfe mikroprozesstechnischer Standardverfahren durch Abscheidung
von Standardmaterialien und nachträgliche Strukturierung hergestellt
wird. Dieser Dünnschichtaufbau
umfasst zumindest eine elektrisch leitende Membran MB, die im Dünnschichtaufbau
zwischen zwei Opferschichten erzeugt ist, die in einer späteren Verfahrensstufe wieder
entfernt werden.
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Im
Abstand zur Membran ist eine Deckschicht DS angeordnet, die eine
leitfähige
Schicht LS trägt.
Vorzugsweise ist die leitfähige
Schicht LS unterhalb der Deckschicht DS angeordnet. Die Deckschicht
kann wie dargestellt Teil einer Verkapselung sein, die auf der Trägerplatte
TP aufsitzt und die Membran von oben abdeckt. Oberhalb und unterhalb der
Membran ist ein entsprechender Freiraum realisiert, der eine unbehinderte
Auslenkung der Membran gewährleistet.
Unterhalb der Membran ist dazu eine durch die gesamte Trägerplatte
reichende Ausnehmung AT vorgesehen. Auch zwischen Membran und mit
leitfähiger
Schicht bedeckter Deckschicht ist ein freier Abstand eingehalten.
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Die
Membran selbst kann über
der Ausnehmung im gesamten Randbereich auf der Trägerplatte TP
aufliegen und ist dort aber an zumindest einem Punkt befestigt.
Abgesehen davon kann die Membran frei auf der Trägerplatte aufliegen.
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Die
oberste Schicht der Trägerplatte
TP ist herstellungsbedingt eine Ätzstoppschicht,
die auch eine Doppelschicht beispielsweise aus Oxid und Nitrid sein
kann. Über
der Ausnehmung gelegen, also zentral über der Membran sind in der
Deckschicht und der leitenden Schicht Schalleintrittsöffnungen SO
vorgesehen, beispielsweise Löcher
mit rundem oder eckigem Querschnitt. Die Schalleintrittsöffnungen
dienen dem Eintritt von Schall und zum Druckausgleich und sind vorzugsweise gleichmäßig in der Deckschicht
DS im Bereich der Membran verteilt.
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Die
Trägerplatte
wiederum ist fest mit einem IC-Bauelement ICB verbunden, beispielsweise
mithilfe von Bondstrukturen BS, die als umlaufender Rahmen auf der
Oberfläche
des IC-Bauelements
ICB aufgebracht sein können
und auf denen die Trägerplatte
mit ihren Randbereich aufsitzt.
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Möglich ist
es jedoch auch, dass die gesamte (plane) Unterseite der Trägerplatte
mithilfe von Bondstrukturen mit der Oberfläche des IC-Bauelementes ICB
verbunden ist. Die Bondstrukturen sind vorzugsweise durch ein Waferbondverfahren
erzeugt und bestehen beispielsweise aus einer Klebstoffschicht oder
wie bereits erläutert
aus einem Eutektikum, beispielsweise aus einem Silizium-/Gold-Eutektikum. Jedoch
sind auch andere Bondstrukturen BS geeignet. Bei Verwendung anderer
Bondverfahren ist es auch möglich, ähnliche
oder gleichartige Materialien von Trägerplatte und Oberfläche des
IC-Bauelementes über eine
Bondtechnik zu verbinden, ohne dass sich dabei Bondstrukturen ausbilden.
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Das
IC-Bauelement enthält
zumindest eine integrierte Schaltung, die zur Aufbereitung und Verarbeitung
des vom Mikrofon gelieferten Messsignals dienen. Die elektrische
Verbindung der beiden Elektroden des Mikrofonkondensators, also
der elektrisch leitfähigen
Membran und der elektrisch leitfähigen Schicht
LS erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch
Bonddrähte
BD. Dazu ist sowohl die Membran als auch die leitfähige Schicht
an einer in der Figur nicht dargestellten Stelle auf die Oberfläche des Schichtaufbaus
herausgeleitet beziehungsweise an einer geeigneten Stelle freigelegt
und dort mit einem Bonddrahts BD verbunden. Das andere Ende des Bonddrahts ist
mit den entsprechenden Kontaktflächen
auf der Oberfläche
des IC-Bauelementes verbunden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist als Trägerplatte
ein Silizium-Wafer verwendet, der vor dem Aufbringen auf das IC-Bauelement noch gedünnt wird.
Der Dünnschichtaufbau
umfasst neben der Ätzstoppschicht
die Membran und die leitfähige Schicht,
die jeweils aus Polysilizium ausgebildet sind. Die Deckschicht und
die Verkapselung, in die die Deckschicht integriert ist, sind vorzugsweise
aus Siliziumnitrit ausgebildet. Darüber hinaus sind für die Trägerplatte
noch andere strukturierbare kristalline, keramische oder Glasmaterialien
geeignet, sofern sie mit Mikrostrukturierungsverfahren bearbeitbar sind.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel die elektrische
Verbindung zwischen Membran, leitfähiger Schicht und IC-Bauelement über eine
elektrisch leitfähig
eingestellte Trägerplatte TP
erfolgt. In der Figur sind zwei vertikale Verbindungsstrukturen
VS1 und VS2 zur elektrischen Anbindung an die leitfähige Schicht
LS beziehungsweise an die Membran MB dargestellt. Die elektrisch
leitende Verbindung zwischen der Trägerplatte und gegebenenfalls
mehreren leitfähigen
Schichten erfolgt durch Polysiliziumstrukturen SS1 beziehungsweise SS2,
die integriert in Dünnschichtaufbau
miterzeugt und dabei in isolierendes Oxid eingebettet sind.
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Die
Verbindungsstrukturen VS1 und VS2 sind elektrisch voneinander getrennt
und aus dem Material der Trägerplatte
heraus strukturiert. Dabei ist es möglich, nur eine dieser beiden
Verbindungsstrukturen separat herzustellen und als zweite Verbindungsstruktur
den gesamten übrigen
Bereich der Träger platte
TP zu verwenden. Dementsprechend kann die Verbindungsstruktur eine
beliebige Grundfläche
in der Trägerplatte
TP einnehmen. In der Figur sind zwei jeweils für sich isolierte Verbindungsstrukturen
dargestellt. Für
die Kontaktierung sind wegen der elektrisch leitfähigen im
Bondverfahren hergestellten Bondstrukturen BS kein nachträgliches Drahtbonden
mehr erforderlich. In der 2 sind außerdem insbesondere
aus dem Material der Deckschicht bestehende Stützstrukturen ST dargestellt, die
die mechanische Stabilität
des gesamten Dünnschichtaufbaus
unterstützen.
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3 zeigt
wesentliche Komponenten eines erfindungsgemäßen Mikrofons in schematischer Draufsicht.
Gemäß der Figur
ist die nach Herstellung der Ausnehmung verbleibende Trägerplatte
TP in Form eines Rahmens mit runder Öffnung strukturiert. Die darauf
aufliegende Membran kann innerhalb des Rahmens frei schwingen. Oberhalb
der vom Rahmen umschlossenen Ausnehmung AT sind die Schallöffnungen
SO innerhalb der Deckschicht angeordnet.
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Die
Außenabmessungen
des IC-Bauelementes ICB sind beliebig und sollten nur an einer Seite
mit einem Rand an der Trägerplatte
TP überstehen,
auf dem dann die Außenkontakte
des IC-Bauelementes
ICB angeordnet werden können.
So wird insgesamt eine äußerst platzsparende
Anordnung erhalten. Durch die Nutzung des IC-Bauelements als mechanisch
stabilisierendes Element für
den MEMS-Aufbau ist das erfindungsgemäße Bauelement gegenüber einer
bloßen
Kombination aus IC-Bauelement und MEMS-Mikrofon, beispielsweise auf
einem gemeinsamen Substrat oder Modul angeordnet bzw. integriert, äußerst platzsparend
und wegen der kurzen elektrischen Verbindungen auch besonders verlustarm.
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4 zeigt anhand schematischer Querschnitte
verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofons
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
wie es in 2 dargestellt ist.
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4A zeigt
das MEMS-Bauelement mit einem noch kompakten Dünnschichtaufbau DA direkt nach
Abscheidung und Strukturierung der entsprechenden Schichten. Auf
der Oberfläche
der Trägerplatte
TP ist dazu eine Ätzstoppschicht
AS als Doppelschicht aus einer Oxid- und einer Nitrit-Schicht aufgebracht.
In der Ätzstoppschicht
AS sind zumindest zwei Öffnungen
vorgesehen, in denen die Polysiliziumstrukturen SS1 und SS2 mit
der Oberfläche der
elektrisch leitenden Trägerplatte,
insbesondere einem dotierten Silizium-Wafer in Kontakt treten können. Die
Polysiliziumstrukturen sind beispielsweise durch Auffüllen entsprechender Öffnungen
im Schichtaufbau erzeugt. Des Weiteren umfasst der Dünnschichtaufbau
DA zumindest eine untere Pufferschicht PS1 zwischen der Ätzstoppschicht
und der Membran MB sowie eine obere Pufferschicht PS2 zwischen der
Membran und der Deckschicht DS. Den später frei schwingenden Bereich
der Membran MB umlaufend sind Stützstrukturen
ST vorgesehen, die aus dem gleichen Material wie die Deckschicht
DS aufgebaut sind, insbesondere aus Siliziumnitrid.
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Im
zentralen Bereich der Membran MB ist auf der oberen Pufferschicht
PS2 die leitfähige
Schicht und schließlich
ganz abdeckend die Deckschicht DS angeordnet. Dort sind auch durch
Strukturierung von Deckschicht und leitfähiger Schicht LS Schalleintrittsöffnungen
SO erzeugt, in denen das Oxid der Pufferschicht PS2 freigelegt ist.
Die im Randbereich des Dünnschichtaufbaus
angeordneten Polysiliziumstrukturen SS sind ebenfalls in Oxid OX
eingebettet und von der großflächig aufgebrachten
Deckschicht DS überdeckt.
Vorzugsweise wird als Trägerplatte ein
großflächiger Wafer
eingesetzt, auf dem gleichzeitig und parallel zum dargestellten
MEMS-Aufbau eine Vielzahl weiterer gleichartiger Aufbauten erzeugt
und auf einer späteren
Stufe vereinzelt werden.
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Im
nächsten
Schritt kann eine Dünnung
des die Trägerplatte
bildenden Wafers erfolgen, vorzugsweise durch ein mechanisches Schichtabtragverfahren,
insbesondere durch Schleifen und/oder Ätzen. Dies ist möglich, da
der kompakte Schichtaufbau DA die mechanische Stabilität des Wafers
der Trägerplatte
erhöht. 4B zeigt
die Anordnung nach dem Dünnen.
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Im
nächsten
Schritt kann optional ganzflächig
eine Planarisierungsschicht PL aufgebracht und gegebenenfalls planarisiert
werden. Dies kann beispielsweise eine Resistschicht oder ein vorzugsweise
flüssig
aufzubringendes Harz sein, beispielsweise ein Epoxidharz. Auf der
planen Oberfläche
der Planarisierungsschicht PL wird anschließend als Zwischenschicht eine
Ablösefolie
ABL aufgebracht. Diese erfüllt
zwei Funktionen. Zum Einen dient sie dazu, die Verbindung zu einem
Hilfswafer HW herzustellen und andererseits dient sie als Releasefolie
(Ablösefolie),
die ein leichtes Ablösen
des Hilfswafers HW in einem späteren
Schritt ermöglicht.
Beispielsweise ist die Ablösefolie
ABL eine Klebefolie, auf die ein Hilfswafer HW aufgeklebt wird. 4B zeigt
die Anordnung nach diesem Schritt.
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4D zeigt
den bereits mit dem Hilfswafer HW verbundenen Aufbau, dessen Festigkeit
und Adhäsion
durch entsprechenden Anpressdruck und gegebenenfalls durch Erhöhen der
Temperatur während
des Aufklebens verstärkt
werden kann. Der Hilfswafer HW dient allein zur besseren Handhabung des
Aufbaus und zur Stabilisierung des durch die spätere Strukturierung mecha nisch
empfindlicher werdenden Systems. Er kann daher aus einem beliebigen
mechanisch stabilen Material bestehen, welches die Bearbeitungsschritte
unbeschädigt übersteht
und keine Wechselwirkungen mit den genannten Verfahren zeigt. Der
Hilfswafer kann daher zum Beispiel eine Glasplatte, ein weiterer
Siliziumwafer oder ein beliebiges anderes festes Material sein. Prinzipiell
ist jedoch für
das Verfahren kein Hilfswafer und damit auch keine Planarisierungsschicht
erforderlich.
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In
einer möglichen
Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
erfolgt die Dünnung
der Trägerplatte
TP erst nach dem Aufbringen des Hilfswafers, sodass die Stabilität des Aufbaus während des
Dünnungsverfahrens
erhöht
ist und so eine Dünnung
der Trägerplatte
TP (Wafer) auf eine geringere Schichtdicke ermöglicht wird.
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Im
nächsten
Schritt erfolgt die Strukturierung der Trägerplatte TP. Dazu wird auf
der Unterseite der Trägerplatte
eine Ätzmaske
AM aufgebracht und strukturiert, beispielsweise eine Ätzmaske
aus Resist oder eine Hartmaske, die mittels eines Fotoresist strukturiert
ist. 4E zeigt den Aufbau mit Ätzmaske AM.
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Vorzugsweise
durch tiefes reaktives Ionenätzen
(DRIE) wird nun das Siliziummaterial der Trägerplatte TP in dem von der Ätzmaske
AM unbedeckten Bereichen geätzt.
Die unterste Schicht des Dünnschichtaufbaus,
die Ätzstoppschicht
AS stoppt den Prozess selektiv, sobald sie in den Öffnungen
freigelegt ist. Mithilfe dieser Strukturierung wird sowohl die Ausnehmung
AT unterhalb des zentralen Bereichs der Membran, als auch isolierende
Gräben
IG herausgebildet, mit denen die vertikalen Verbindungsstrukturen
VS1 und VS2 gegen den Rest der Trägerplatte TP isoliert sind.
Des Weiteren kann in diesem Strukturierungsschritt ein Strukturierungsgraben
SG erzeugt werden, der jedes einzelne Mikrofon ringförmig umläuft und
dort die Trägerplatte
bereits auf dieser Stufe vollständig
auftrennt. Dies hat den Vorteil, dass die Vereinzelung der einzelnen
MEMS Mikrophone mit Mikrostrukturierungstechnik und damit wesentlich
einfacher und genauer erfolgen kann als mit den üblicherweise zur Vereinzelung
eingesetzten Sägeverfahren. 4F zeigt
die Anordnung, bei der im Bereich der Ausnehmung AT die Ätzstoppschicht
AS freigelegt ist.
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4G zeigt
die Anordnung nachdem die Ätzmaske
AM beispielsweise durch Strippen oder Abätzen entfernt wurde. Anschließend wird
die untere Pufferschicht PS1 durch Ätzen entfernt. Dabei wird die
Membran an der Unterseite freigelegt.
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Im
nächsten
Schritt erfolgt die Verbindung des bisher erzeugten MEMS-Aufbaus
mit einem IC-Bauelement in einem Waferbondverfahren. Dazu werden
auf der Oberfläche
des IC-Bauelements vorzugsweise Auflage- und Kontaktstrukturen erzeugt, die
die mechanische und elektrische Verbindung zur Trägerplatte
gewährleisten.
Beim bevorzugt verwendeten eutektischem Waferbonden ist dies eine
Bondstruktur BS, die zur Ausbildung eines Eutektikums mit dem Material
der Trägerplatte
TP geeignet ist. Auch des IC-Bauelement ICB wird als Bauelementarray auf
Waferebene mit einer den MEMS-Aufbauten entsprechenden Bauelementverteilung
im Wafer zur Verfügung
gestellt. Auf die Bondstrukturen wird nun die Trägerplatte passgenau aufgesetzt
und durch Temperaturerhöhung
und Druck verbunden, wobei sich in der bevorzugten Ausführung das
Eutektikum ausbildet. 4i zeigt die Anordnung nach
dem Waferbonden.
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Die
Bondstrukturen BS sind nach dem Waferbondverfahren in ein Eutektikum
EU umgewandelt, welches elektrisch leitende Eigenschaften aufweist
und insbesondere einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der
(nicht dargestellten) Kontaktfläche
auf der Oberfläche
des IC-Bauelements ICB und der vertikalen Verbindungsstruktur VS
herstellt und damit die elektrische Anbindung von Membran und leitfähiger Schicht über die
genannten Strukturen an das IC-Bauelement gewährleistet.
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Des
Weiteren ist aus 4I ersichtlich, dass Teile der
strukturierten Trägerplatte
nicht in direktem Kontakt mit Bondstrukturen beziehungsweise mit dem
IC-Bauelement stehen, sodass in diesem Bereich ein Zwischenraum
verbleibt. Dargestellt ist dies für die Bereiche der Trägerplatte,
die außerhalb
des durch die Strukturgräben
SG liegenden Bauelementbereichs liegen. Es handelt sich somit um
Bereiche, die zwischen den Strukturgräben einander benachbarter Mikrofoneinheiten
liegen.
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Im
nächsten
Schritt wird der nun überflüssig gewordene
Hilfswafer HW wieder entfernt, wobei die Ablöseeigenschaften der Ablösefolie
ABL ausgenutzt werden. Diese ist beispielsweise so beschaffen, dass sie
sich beim Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur ablöst und so
auch ein einfaches Ablösen
des Hilfswafers HW ermöglicht.
Reste der Folie können dann
abgezogen werden. Die Planarisierungsschicht kann mit einem Lösungsmittel
abgelöst
werden. Wie aus 4I ersichtlich, werden dadurch
die zwischen den Strukturgräben
SG liegenden Bereiche der Trägerplatte
mit entfernt und damit die MEMS Aufbauten der Mikrofoneinheiten
vereinzelt und nur noch durch den durchgehenden Wafer des IC-Bauelements
zusammengehalten. Auf dieser Stufe ist es nun möglich, auch die einzelnen Einheiten
des IC-Bauelements zu vereinzeln, insbesondere durch Zersägen. Dabei
ist es vorteilhaft, dass die Membran in diesem Stadium noch durch
die obere Pufferschicht PS2 fest mit dem verbleibenden Dünnschichtaufbau
verbunden ist und daher auch nicht durch die beim Sägeprozess
entstehenden Vibrationen beschädigt
werden kann.
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Die
weitere Prozessierung erfolgt nun auf der Basis vereinzelter Bauelemente.
Durch die nun von oben zugänglichen
Schalleintrittsöffnungen
SO kann nun die obere Pufferschicht PS2 durch Ätzen herausgelöst werden.
Dies kann beispielsweise mithilfe hochkonzentrierter Flusssäure (HF
fume) erfolgen. Dabei wird der Hohlraum zwischen Deckschicht DS und
Membran MB, der seitlich von Stützstrukturen
ST begrenzt ist, vollständig
geöffnet,
sodass die Membran frei in diesen Hohlraum hineinschwingen kann. Die
Schwingungsfreiheit nach unten ist im zentralen Bereich der Membran
ja bereits durch die Ausnehmung AT gewährleistet. Dennoch bleibt die
Membran durch die nur kleine Schalleintrittsöffnungen SO aufweisende Deckschicht
geschützt
und so vor mechanischer Beschädigung
bewahrt.
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Da
die Membran zumindest teilweise auf der Trägerplatte TP nur lose aufliegt,
ist auch ein Druckausgleich zwischen der Ausnehmung AT und dem oberen
Freiraum zwischen Membran und Deckschicht möglich, ebenso natürlich durch
die Schalleintrittsöffnungen
SO nach außen.
Das erfindungsgemäße Mikrofon
ist nach diesem Schritt nun fertig gestellt und entspricht dem in 2 dargestellten Bauelement.
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Die
Herstellung der Ausführungsform
gemäß 1 erfolgt
in analoger Weise, jedoch mit deutlich weniger aufwendigen Verfahrensschritten.
Für dieses
Ausführungsbeispiel
wird auf einer Trägerplatte TP
ein Dünnschichtaufbau
DA erzeugt, der nur je eine Polysiliziumschicht für Membran
und leitfähige Schicht
LS umfasst. Wesentlich ist, dass die Polysiliziumschicht zwischen
einer oberen und einer unteren Pufferschicht, insbesondere einer
Oxidschicht eingebettet ist, die eine mechanische Fixierung der
empfindlichen Membran während
der Herstellung ermöglicht.
Bei der Strukturierung der Trägerplatte
muss dann nur noch die Ausnehmung AT erzeugt werden, vorzugsweise
zusätzlich
noch die Strukturierungsgräben
zur mechanischen Vereinens des MEMS-Aufbaus. Die untere Pufferschicht
unterhalb der Membran wird wieder vor dem Verbinden der Trägerplatte mit
dem IC-Bauelement entfernt, die obere Pufferschicht zwischen Deckschicht
und Membran dagegen erst nach der Vereinzelung der Bauelemente,
um die Membran wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bei diesem Schritt
noch mechanisch zu schützen.
Auch hier kann zum Strukturieren der Trägerplatte und insbesondere
zu deren Dünnung
ein Hilfswafer zur mechanischen Stabilisierung eingesetzt werden.
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In
beiden Herstellungsvarianten gelingt es, die Polysiliziummembran
MB als auch die Deckschicht aus Siliziumnitrid stressfrei in Low-Stress-Schichtzeugungsprozessen
zu erzeugen, die den hohen Anforderungen an den Reststress dieser
Schichten in MEMS-Mikrofonen genügen.
Der Foot-Print, also der Flächenbedarf
erfindungsgemäßer Mikrofone
kann gegenüber
bekannten Bauelementen um bis zu Faktor zwei reduziert werden. Damit
verbunden sind auch entsprechend geringere Packungsgrößen und
Verpackungen.
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Obwohl
die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele erläutert wurde,
ist sie selbstverständlich
nicht auf diese beschränkt.
Als erfindungswesentlich wird für
das Bauelement jedoch die kompakte Bauweise betrachtet sowie die
prinzipielle Reihenfolge der Herstellungsschritte.
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Insbesondere
Herstellung und Aufbau der MEMS-Strukturen, die an und für sich prinzipiell
bekannt sind, sind nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Auch die integrierte Kontaktierung des Mikrofons über die
leitfähig
eingestellte Trägerplatte
beziehungsweise aus einer leitfähig eingestellten
Trägerplatte
heraus gebildete vertikale Verbindungsstrukturen ist nur beispielhaft
dargestellt, kann in einfacher Weise aber von einem Fachmann beliebig
variiert werden. Auch bezüglich
der Abmessungen erfindungsgemäßer Mikrofone
ist die Erfindung nicht beschränkt.
Mit den dargestellten Prozessen gelingt es, Mikrofone mit einem
Durchmesser von ca. 500 bis 700 μm
zu erzeugen, deren Membran eine Dicke von ca. 1 μm aufweist. Prinzipiell ist
es möglich,
die Größe des Mikrofons
weiter zu verringern, wobei allerdings elektrische Einbußen bezüglich des
Messsignals und damit bezüglich
der elektrischen Eigenschaften des Mikrofons in Kauf genommen werden
müssen.
Auch ist mit dem angegebenen Verfahren die Herstellung größerer Mikrofone
möglich.
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Auch
bezüglich
der für
den Dünnschichtaufbau
DA eingesetzten Materialien kann die Erfindung variiert werden.
So sind beispielsweise alle Oxidschichten in einfacher Weise durch
geeignete Polymere oder bei entsprechendem Aufbau durch ein Opfer-Polysilizium
ersetzbar. Das für
die Deckschicht eingesetzte Siliziumnitrid kann durch einen beliebig anderes
mechanisch stabiles Material ersetzt werden, welches selektiv gegen
Oxid ätzbar
ist. Für
die drahtgebondete Variante gemäß 1 ergeben
sich weitere Variationsmöglichkeiten
bezüglich
der Materialien für
die Trägerplatte.
Varianten sind auch bezüglich
des Hilfswafers möglich.
Die Erfindung ist auch nicht auf ein bestimmtes IC-Bauelement beschränkt, und
kann auch bezüglich
der durch das IC-Bauelement bereit gestellten Schaltungsfunktionen
variiert werden. Auch die für
die Strukturierung eingesetzten Verarbeitungsschritte sind nicht
auf die angegebenen Prozesse beschränkt und können durch entsprechende gleich
wirkende Prozesse ersetzt werden. Die Vereinzelung der Bauelemente, insbesondere
das Zerteilen der Trägerplatte
kann alternativ auch mechanisch oder mit einem Laser erfolgen, ebenso
das Vereinzeln der IC-Bauelement aus dem entsprechenden Halbleiterwafer.
-
- TP
- Trägerplatte
- DA
- Dünnschichtaufbau
- MB
- Membran
- PS1,
- PS2
Pufferschichten
- LS
- Elektrisch
leitfähige
Schicht
- ICB
- IC-Bauelement
- IC
- Integrierte
Schaltung
- SO
- Schalleintrittsöffnung
- AT
- Ausnehmung
in der Trägerplatte
- KF
- Anschlussflächen am
IC-Bauelement
- BD
- Bonddraht
- EU
- Eutektikum
- AF
- Anschlüsse der
Trägerplatte
- DS
- Deckschicht
- AM
- Ätzmaske
- PL
- Planarisierungsschicht
- ABL
- Ablösefolie
- AS
- Ätzstoppschicht
- HW
- Hilfswafer
- VS
- Vertikale
Verbindungsstruktur
- PS
- Polysiliziumstruktur
- BS
- Bondstruktur
- IG
- Isoliergraben
- SG
- Strukturgraben
- ST
- Stützstruktur
- OX
- Oxid
- SS
- Polysiliziumstruktur